構造的着色は、時には顔料と組み合わせて、可視光線を妨害するのに十分微細な顕微鏡構造の表面による色の生成である。 たとえば、ピーコックの尾の羽は茶色に着色されていますが、その微妙な構造によって青色、青緑色、緑色の光も反射し、虹色になることがよくあります。
構造的な着色は、英国の科学者Robert HookeとIsaac Newtonによって最初に観察され、その原理波干渉は、世紀後のThomas Youngによって説明されました。 ヤングは、薄膜が2つ以上の表面からの反射と、光がそのような膜を出入りする際の屈折との間の干渉の結果として、虹色を説明した。 幾何形状は、ある角度において、両面から反射された光が建設的に干渉し、他の角度では光が破壊的に干渉することを決定する。 したがって、異なる色が異なる角度で現れます。
鳥の羽や蝶の鱗のような動物では、回折格子、選択ミラー、フォトニック結晶、結晶ファイバー、ナノチャネルのマトリックス、およびそれらの構成を変えることができるタンパク質を含む広範囲の光機構によって干渉が生じる。 筋肉の繊維の周期的配置の暴露による構造的な着色も、肉の一部の切れ目によって示される。 これらの光機構の多くは、電子顕微鏡で見える精巧な構造に対応する。 構造的着色を利用する少数の植物では、鮮やかな色が細胞内の構造によって生成される。 どの生きている組織でも知られている最も鮮やかな青色の着色は、Pollia condensataの大理石の果実で見つけられます。Pollia condensataの螺旋構造は、ブラッグの光の散乱を作り出します。 ミカンの明るい光沢は、黄色の色素沈着によって補われた表皮による薄膜反射、および直下のデンプン細胞層による強い拡散散乱によって生じる。
構造的着色は、鮮やかな色、適応性のあるカモフラージュ、効率的な光スイッチおよび低反射率のガラスを提供することができる生体模倣表面を有する産業、商業および軍事用途の可能性を有する。
歴史
1665年の彼の著書「Micrographia」では、ロバート・フークは、孔雀の羽の「幻想的な」色を描写しています。
この栄光の鳥の羽の部分は、顕微鏡を通して、それほど荒々しいものではなく、全体の羽を現します。 裸眼では、尾の各羽の茎や羽が多くの側枝を送り出すので、顕微鏡の中にあるそれらの糸のそれぞれは、長い長い身体のように見え、多数の明るい反射部品。
… その上辺は、薄くても薄くて、非常に近くにある薄いメッキ体で構成されているようで、真珠の殻のように、非常に活発な光を一見して反射するのではなく、最も興味深い方法で。 いろいろなポジションを使って、光に関しては、今度は一つの色、そしてもう一つは、そして最も生き生きとしたものを反映しています。 さて、これらの色はまるで幻想的なものです。つまり、光の屈折から直ちに発生するようなものです。これは、これらの色の部分を濡らしている水が、その色を破壊し、進行するように見える反射と屈折の変化から。
1704年の彼の著書「Opticks」では、アイザック・ニュートン（Isaac Newton）が、孔雀尾羽の茶色の顔料以外の色の仕組みを説明しています。 ニュートン ことを指摘
いくつかの鳥の細かく色付けされた羽、特にPeacocks Tailsの羽は、薄いプレートが見つかったのと全く同じ方法で、いくつかの色で表示されます7番目と19番目の観測では、その色は羽の透明部分の薄さから生じます。 すなわち、非常に美しい羽毛の細長さから、またはそれらの羽のより大きい側方枝または繊維の側面から成長するCapillamentaからである。
トマス・ヤング（1773-1829） ニュートン 光が波としてふるまうことができることを示すことによって、光の粒子理論。 彼は1803年に光が鋭いエッジやスリットから回折して干渉パターンを作り出すことを示しました。
1892年に出版されたAnimal ColorationのFrank Evers Beddard（1858-1925）は構造色の存在を認めています。
動物の色は、皮膚に明確な色素があるか、皮膚の下にあるか、 または部分的には、光線の散乱、回折または不等屈折による光学効果によって引き起こされる。 後者の種類の色は、しばしば構造色として話される。 それらは着色された表面の構造によって引き起こされる。 ハミング鳥のような多くの鳥の羽の金属光沢は、羽の表面に非常に微細な脈理が存在するためです。
しかし、Beddardは主に顔料に劣っている構造着色を主に却下しました。「あらゆる場合には、暗色顔料の背景を表示するためには構造上の色が必要です。」2：そして、その希少性を主張することによって、無脊椎動物の色は明確な色素の皮膚に存在する」と述べているが、後でケープ・ゴールデン・モルは毛髪に「鮮やかな色彩を生む」「構造的な特異性」があることを認めている。
原則
顔料ではない構造
詳細情報：フェザー
構造的な着色は、顔料ではなく干渉効果によって引き起こされる。 色は、材料が1本以上の平行な薄い層で形成された細い平行線でスコア付けされるか、または色の波長のスケールで微細構造から構成される場合に生成される。
構造的な着色は、多くの鳥の羽の青と緑（例えば、ビー・イーター、キングフィッシャーとローラー）、そして多くの蝶の羽、甲虫の翼のケース（elytra）バナナの花びらの光沢。 これらは真珠貝（Pteriidae）やノーチラス（Nautilus）のような孔雀の羽や真珠のような殻のように、しばしば虹色である。 これは、反射された色が視野角に依存することになり、視野角が原因となる構造体の見かけ上の間隔を支配するからである。 構造色は顔料の色と組み合わせることができます。ピーコックの羽はメラニンで茶色に着色され、バナナの花びらは黄色にはカロチノイド顔料を、反射性のためには薄いフィルムの両方を持っています。
真珠光沢の原理
さらなる情報：薄膜干渉および虹色
1803年にトーマス・ヤング（Thomas Young）によって説明されたように、非常に薄いフィルムがそれらの上面から落下する光の一部を反射するときに生じる。 残りの光はフィルムを通り、さらにその一部が底面から反射されます。 2組の反射波は、同じ方向に上向きに戻る。 しかし、底面反射波は、フィルムの厚さと屈折率、光が落ちる角度によって制御されるので、2組の波は位相がずれています。 波が1つまたはそれ以上の全波長間隔、すなわちある特定の角度である場合、波は強く反射し、強め合う（干渉する）。 他の角度および位相差では、それらは減算することができ、弱い反射を与えることができる。 したがって、薄膜は、任意の所与の角度においてただ1つの波長（純粋な色）を選択的に反射するが、異なる角度で異なる波長（異なる色）を選択的に反射する。 だから、蝶の羽や鳥の羽のような薄いフィルム構造が動くので、色が変わるようです。
メカニズム
固定構造
いくつかの固定構造は、回折格子、選択ミラー、フォトニック結晶、結晶ファイバーおよび変形マトリックスを含む機構によって、構造的な色を作り出すことができる。 構造は、単一の薄膜よりはるかに精巧なものになります。フィルムは積み重なって強い虹色を与え、2つの色を組み合わせたり、不可避的な色の変化を角度と釣り合わせて、より拡散し、虹色の効果を与えます。 それぞれの仕組みは、異なる方向から見える明るい色や色の組み合わせを作成するという問題に対する具体的な解決策を提供します。
キチンと空気の層で構成された回折格子は、様々な蝶の翼の鱗や、空のような鳥の尾の羽の虹色を生じさせる。 フックとニュートンは、孔雀の色が干渉によって作られているという主張から正しいが、光の波長に近い（顕微鏡写真参照）構造は、光学顕微鏡で見ることができる線条構造よりも小さい。 回折格子を製造するもう一つの方法は、鮮やかに着色された熱帯モルフォバタフライの翼のスケール（図を参照）と同様に、キチンの樹形アレイである。 さらにもう一つの変種がパロチア・ローゼズイ（Parotia lawesii）、ローゼズ・パロティア（Lawes’s parotia）、すなわち鳥の楽園に存在する。 明るい色の胸部パッチの羽の柱はV字型で、2つの異なる色、明るい青緑色、オレンジイエローを強く反映する薄膜の微細構造を作り出します。 鳥が動くとき、虹色に漂うのではなく、この2つの色の間で色が急激に切り替わります。 求愛中、雄鳥は体系的に小さな動きをして女性を引き付けるため、性的選択を通じて構造が進化していなければならない。
フォトニック結晶は、異なる方法で形成することができる。 パレード・セソストリス（Parides sesostris）には、エメラルドパッチされた牛の蝶があり、光子結晶は、ウィングスケールのキチン中にナノサイズの穴のアレイから形成されている。 穴は、約150ナノメートルの直径を有し、ほぼ同じ距離離れている。 穴は小さなパッチで規則的に配列されています。 隣接するパッチは異なる向きの配列を含む。 その結果、これらのエメラルドパッチされた牛の鱗は緑色の光を無彩色ではなく、異なる角度で均等に反射します。 Lamprocyphus augustusでは、 ブラジル キチンの外骨格は、虹色の緑色の楕円形の鱗で覆われている。 これらは、あらゆる方向に配向されたダイヤモンドベースの結晶格子を含み、角度によってほとんど変化しない鮮やかな緑色の着色を与える。 スケールは、約1マイクロメートルの幅のピクセルに効果的に分割される。 このような各画素は単結晶であり、その近傍とは異なる方向に光を反射する。
干渉効果を生成するための選択的な鏡は、エメラルド・スワローテイル・バタフライ（Papilio palinurus）の羽の鱗にキチンの複数の層が並んだミクロンサイズのボール状のピットで形成されています。 これらは、2つの波長の光に対して高度に選択的なミラーとして作用する。 黄色の光は、ピットの中心から直接反射される。 青色光は、ピットの側面によって2回反射される。 組み合わせは緑色に見えますが、顕微鏡下の青色の円で囲まれた黄色いスポットの配列として見ることができます。
結晶 中空のナノ繊維の六角形のアレイで形成された繊維は、海のマウスであるAphroditaのブリッスルの明るい虹色の色を作り出します。 色は攻撃的ではないことを警告します。 中空の剛毛のキチンの壁は、六角形のハニカム形状のフォトニック結晶を形成する。 六角形の穴は0.51μm離れている。 この構造は、あたかもAphroditaを海洋生物の最も虹色のものにしているように、それが88の回折格子のスタックから構成されているかのように光学的に振る舞います。
スポンジ状のケラチンマトリックス中のランダムに配向したナノチャンネルからなる変形マトリックスは、青と黄色のマコロであるAra araraunaの拡散しない非虹色の青色を形成する。 反射はすべて同じ方向に配置されているわけではないので、色はまだ壮大ですが、角度によって大きく変わらないので、虹色ではありません。
ヘリコイド的に積み重ねられたセルロースミクロフィブリルから形成されたスパイラルコイルは、アフリカハーブPollia凝縮体の「大理石の果実」にブラッグ反射を生じ、自然界で最も強い青色の着色をもたらす。 ベリーの表面には、厚い壁を有する4層のセルがあり、青色光と建設的に干渉できるように間隔を空けた透明なセルロースの螺旋を含む。 これらの細胞の下には、濃い褐色のタンニンを含む2〜3層の細胞層がある。 PolliaはMorpho蝶の翅よりも強い色を呈し、どの植物からも知られている構造着色の最初の例の1つです。 それぞれのセルには、それ自身の厚さの積み重ねられた繊維があり、近隣の色とは異なる色を反射し、緑色、紫色、赤色の点で斑点を付けられた異なる青色でピクセル化または点描効果を作り出します。 いずれか1つのセルのファイバは、左手系または右手系のいずれかであるため、各セルは一方向または他方向に反射する光を円偏光する。 Polliaは、この植物種を訪れる種子を食べる鳥が偏光を知覚することができないので、視覚機能を持たない光のランダム偏光を示す最初の生物である。 螺旋状の微細構造は、淡褐色のカブトムシにおいても見い出され、虹色の色を生じる。
バターカップの花びらの上の2つの層に基づく、拡散反射体を有する薄膜。 鮮やかな黄色の光沢は、植物の中で珍しい、黄色の顔料と構造的な着色の組み合わせに由来します。 非常に滑らかな上部の表皮は、反射性で虹色の薄膜として働く。 例えば、Ranunculus acrisでは、層の厚さは2.7マイクロメートルである。 異例のデンプン細胞は拡散しているが強い反射体を形成し、花の輝きを増強する。 湾曲した花びらは、花の中心にある生殖器の部分に太陽の熱を向ける放物面の料理を形成し、周囲温度より摂氏約数度上に保ちます。
肉の切れ目に秩序だった筋肉細胞が曝露されているため、注文した表面の特徴を持つ表面格子。 肉切れの構造的着色は、筋小繊維の秩序パターンが露光され、小繊維のタンパク質によって光が回折された後にのみ現れる。 回折光の色または波長は、観察角度に依存し、肉を半透明の箔で覆うことによって増強することができる。 表面を粗くするか、または乾燥によって水分を除去すると、構造が崩壊し、構造的着色が消える。
可変構造
イカのような頭部を含むいくつかの動物は、カモフラージュとシグナリングの両方のために迅速にその色を変えることができる。 この機構は、2つの構成の間で切り替えることができる可逆的なタンパク質を含む。 Doryteuthis pealeiiイカの皮膚における色素細胞のタンパク質の構成は、電荷によって制御される。 電荷が存在しない場合、タンパク質はしっかりと積み重なり、より薄い、より反射性の層を形成する。 電荷が存在すると、分子はより緩く積み重なり、より厚い層を形成する。 クロマトフォアは複数の反射層を含むので、スイッチは層の間隔を変化させ、したがって反射される光の色を変化させる。
青く鳴らされたタコは、真皮細胞に有効なカモフラージュパターンを表示しながら、隙間に隠れる時間の多くを費やします。 彼らが誘発された場合、彼らはすぐに色を変え、明るい黄色になり、50〜60個のリングのそれぞれが3分の1秒以内に明るい虹色の青色を点滅させます。 より大きな青いタコのタコ（Hapalochlaena lunulata）では、リングは多層のイリドフォアを含む。 これらは、広い視野方向に青緑色光を反射するように配置されている。 青いリングの速い点滅は、神経制御下の筋肉を用いて達成される。 通常の状況下では、各リングは、イリドフォア上の筋肉の収縮によって隠されている。 リングの外側のこれらのリラックスと筋肉が収縮すると、明るい青色のリングが露出します。
技術的に
構造的な着色は、工業的にも商業的にも利用でき、そのような用途につながる可能性のある研究が進行中である。 直接の平行線は、カメレオンやセファロポッドのように、その環境に合わせて色や模様を変える能動的または適応的な軍用迷彩布地を作成することです。 異なる波長の光に対して反射率を変化させる能力は、トランジスタのように機能することができる効率的な光スイッチにもつながり、エンジニアは高速の光コンピュータおよびルータを製造することができる。
イエバエの化合物眼の表面は、反射を減らし、したがって入射光の透過を増加させる効果を有する微視的な突起で密集している。 同様に、いくつかの蛾の目は、光の波長よりも小さい柱の配列を再び使用して、反射防止表面を有する。 「モスアイ」ナノ構造は、窓、太陽電池、ディスプレイデバイス、軍用ステルス技術用の低反射率のガラスを製造するために使用することができる。 「モスアイ」原理を用いた反射防止生体模倣表面は、最初に金ナノ粒子を用いたリソグラフィーによってマスクを作り、次いで反応性イオンエッチングを行うことによって製造することができる。