구조 착색은 가시광을 방해 할 정도로 미세한 미세한 구조의 표면에 의해 색을 생성하는 것입니다. 때로는 안료와 함께 사용됩니다. 예를 들어, 공작의 꼬리 깃은 갈색이지만, 그것들의 미세한 구조는 푸른 빛, 청록색 빛, 초록 빛을 반사 시키며, 종종 무지개 빛깔입니다.
구조 착색은 영국의 과학자 인 Robert Hooke와 Isaac Newton에 의해 처음으로 관찰되었고, 그 원리 – 파 간섭은 토마스 영이 한 세기 후 설명했다. Young은 두 개 이상의 박막 표면의 반사와 빛이 들어갔을 때의 굴절과의 간섭의 결과로 무지개 빛을 묘사했습니다. 그런 다음 기하학은 특정 각도에서 양쪽 표면에서 반사 된 빛이 건설적으로 간섭하는 반면 다른 각도에서는 빛이 파괴적으로 간섭한다고 결정합니다. 따라서 서로 다른 색이 다른 각도로 나타납니다.
조류의 깃털이나 나비의 비늘 같은 동물의 경우, 회절 격자, 선택 거울, 광결정, 수정 섬유, 나노 채널 행렬 및 그 구성을 변경할 수있는 단백질 등 다양한 광 메커니즘에 의해 간섭이 발생합니다. 육류의 일부 절단은 또한 근육 섬유의 주기적 배치 노출로 인한 구조 착색을 나타냅니다. 이러한 광 메커니즘의 대부분은 전자 현미경으로 볼 수있는 정교한 구조에 해당합니다. 구조 착색을 이용하는 소수의 식물에서, 화려한 색은 세포 내의 구조에 의해 생성됩니다. 어떤 살아있는 조직에서나 가장 빛나는 푸른 착색은 Pollia condensata의 대리석 열매에서 발견됩니다. Pollia condensata의 나선형 구조는 Bragg ‘s law scattering of light를 생성합니다. 미나리의 밝은 광택은 표피에 의한 얇은 필름 반사와 황색 착색에 의해 보충되고 바로 아래에 전분 세포 층에 의한 강한 확산 산란에 의해 생성됩니다.
구조 착색은 산업적, 상업적 및 군사적 응용 가능성이 있으며, 생체 모방 표면은 화려한 색상, 적응력있는 위장, 효율적인 광 스위치 및 저 반사 유리를 제공 할 수 있습니다.
역사
1665 년에 출판 된 Micrographia에서 Robert Hooke는 공작의 깃털의 “환상적인”색채를 묘사했다.
이 영광스러운 버드의 깃털 부분이 현미경을 통해 나타납니다. 꼬리에있는 각 깃털의 줄기 또는 깃털이 많은 가지의 옆쪽 가지를 보냈다는 것을 육안으로 볼 때 … 현미경에있는 그 줄 각각은 커다란 몸체를 보입니다. 부분품.
… 그 윗면은 얇은 것을 초과하는 얇은 도금 된 몸체로 구성되어 있으며, 매우 가깝게 놓여있어 진주 껍질의 어머니처럼 매우 활발한 빛을 일일이 반영하지는 않지만 빛을 발합니다 가장 호기심 많은 방식으로; 다양한 위치에 의해, 빛에 관해서, 그들은 지금 한 가지 색을, 그리고 또 다른 색, 그리고 가장 생생하게 반사합니다. 지금,이 색깔은 onely 한 환상적인 것들입니다. 즉, 빛의 굴절에서 즉시 생기는 것과 같이, 이것에 의해 발견 된 물은 이러한 색의 부분을 물에 적셔서 진행할 것 같은 색을 파괴합니다. 반사 및 굴절의 변경으로부터
그의 1704 년 책 옵틱스 (Opticks)에서 Isaac Newton은 공작의 꼬리 깃털의 갈색 색소 이외의 색상의 메커니즘을 설명했다. 뉴튼은
깃털의 똑같은 부분에서 미세 조류 깃털의 일부와 특히 공작새의 깃털은 얇은 판이 발견 된 것과 동일한 방식으로 눈의 여러 위치에서 몇 가지 색상으로 나타납니다. 7 번째와 19 번째 관측에서 그러 하듯이, 그들의 색깔은 깃털의 투명한 부분의 얇은 부분에서 발생합니다; 즉, 매우 훌륭한 Hairs, 또는 Capillamenta의가 from픈 것에서부터 시작됩니다. Capillamenta는 더 큰 측면의 가지 또는 그 깃털의 섬유로부터 성장합니다.
Thomas Young (1773-1829)은 빛이 파동처럼 작용할 수 있다는 것을 보여줌으로써 뉴턴의 빛에 대한 입자 이론을 확장시켰다. 그는 1803 년에 빛이 날카로운 모서리 나 슬릿에서 회절하여 간섭 패턴을 만들 수 있음을 보여주었습니다.
1892 년에 출판 된 Animal Coloration의 Frank Evers Beddard (1858-1925)는 구조적인 색상의 존재를 인정했습니다.
동물의 색깔은 피부 안의 명확한 안료의 존재 때문이거나 피부 밑에 만 존재합니다. 또는 부분적으로는 광선의 산란, 회절 또는 불균일 한 굴절로 인한 광학 효과에 기인한다. 후자의 종류의 색상은 종종 구조적인 색상으로 사용됩니다. 그들은 착색 된 표면의 구조에 의해 야기된다. 윙윙 거리는 새와 같은 많은 새의 깃털의 금속 광택은 깃털 표면에 지나치게 미세한 선이 존재하기 때문입니다.
그러나 Beddard는 구조적 착색을 주로 색소에 종속적 인 것으로 간주했다. “모든 경우에 검은 색 안료의 배경을 표시하기 위해 [구조적] 색상이 필요하다.”2 : 그리고 희귀 성을 주장함으로써 무척추 동물의 색깔은 명확한 안료의 피부에 존재한다 “: 2 그는 케이프 황금 두더지가 머리카락에”구조적인 특색 “을 가지고 있다는 것을 나중에 인정하지만”화려한 색을 띠게한다 “: 32
원칙
구조 안료
구조 착색은 안료보다는 간섭 효과에 의해 발생합니다. 색상은 하나의 평행 한 얇은 층으로 형성되거나 다른 색상의 파장으로 미세 구조로 구성된 미세한 평행선으로 재료가 채점 될 때 생성됩니다.
구조 착색은 많은 새 (날개 벌레, 물총새과 및 롤러)뿐만 아니라 많은 나비 날개, 딱정벌레 날개 케이스 (elytra) 및 (꽃 중에는 드물지만) 깃털의 파란색과 녹색을 담당합니다. 미나리 꽃잎의 광택. 이들은 진주 굴 (Pteriidae)과 노틸러스 (Nautilus)와 같은 공작 깃털과 진주 조개 껍질 에서처럼 종종 무지개 빛깔입니다. 이것은 반사 된 색이 시야각에 의존하기 때문에 보는 각도에 영향을 미치기 때문입니다. 구조용 색상은 안료 색상과 결합 할 수 있습니다. 공작 깃털은 멜라닌 색소와 함께 갈색으로 착색되며, 미나리 꽃잎은 황색을위한 카로티노이드 색소와 반사성을위한 얇은 필름을 모두 포함합니다.
무지개 빛의 원리
1803 년 토마스 영 (Thomas Young)이 설명했듯이 극도로 얇은 필름이 표면에서 빛의 일부를 반사 할 때 생성됩니다. 나머지 빛은 필름을 통과하고 그 일부는 바닥면에서 반사됩니다. 두 세트의 반사파는 같은 방향으로 위로 이동합니다. 그러나 바닥 반사파는 필름의 두께와 굴절률 및 빛이 떨어지는 각도에 따라 약간 더 이동했기 때문에 두 세트의 파도가 위상이 맞지 않습니다. 파동이 하나 이상의 전체 파장 간격을 띄게되면, 즉 특정 각도에서 보았을 때, 보강 간섭 (보강 간섭)이 강하게 반사됩니다. 다른 각도와 위상 차이에서, 그들은 뺄 수 있으며, 약한 반사를 제공합니다. 따라서 박막은 하나의 파장 – 순수한 색 -을 임의의 주어진 각에서 선택적으로 반사하지만, 다른 파장 – 상이한 색 -은 상이한 각도에서 선택적으로 반사한다. 그래서 나비의 날개 나 새 깃털처럼 얇은 필름 구조가 변하기 때문에 색이 변하는 것 같습니다.
메커니즘
고정 구조
많은 고정 구조는 회절 격자, 선택 거울, 광결정, 결정 섬유 및 변형 된 행렬을 포함한 메커니즘을 통해 구조적 색상을 만들 수 있습니다. 구조는 하나의 얇은 필름보다 훨씬 정교 할 수 있습니다. 필름을 쌓아서 강한 무지개 빛깔을 내고 두 가지 색상을 결합하거나 필연적 인 색 변화를 각도로 균형을 잡아보다 확산되고 무지개 빛깔의 효과를 줄 수 있습니다. 각 메커니즘은 서로 다른 방향에서 보이는 밝은 색상 또는 색상 조합을 만드는 문제에 대한 구체적인 해결책을 제시합니다.
키틴과 공기의 층으로 구성된 회절 격자는 다양한 나비 날개 비늘뿐만 아니라 공작과 같은 새의 꼬리 날개에 무지개 빛깔의 색을 낳습니다. Hooke와 Newton은 공작의 색깔이 간섭에 의해 만들어졌지만, 빛의 파장에 가까운 (현미경 사진 참조) 구조는 빛의 현미경으로 볼 수있는 줄무늬 구조보다 작다고 주장했다. 회절 격자를 만드는 또 다른 방법은 반짝이는 색의 열대 모르포 나비 (그림 참조)의 날개 비늘처럼, 나무 모양의 키틴 배열을 사용하는 것입니다. 또 다른 변종은 Parotia lawesii, Lawes의 parotia, 낙원의 새에 존재합니다. 밝은 색상의 가슴 패치의 깃털 모양은 V 자 모양으로되어있어 밝은 파란색과 녹색의 두 가지 색상을 강하게 반사하는 박막 미세 구조를 만듭니다. 새가 움직이면 무지개 빛깔로 표류하는 대신이 두 색 사이에서 색이 급격히 바뀝니다. 구혼하는 동안, 수컷의 새는 체계적으로 여성을 끌어 들이기 위해 작은 움직임을 일으키므로, 구조는 성 선택을 통해 진화 했어야합니다.
광자 결정은 다른 방식으로 형성 될 수 있습니다. Parides sesostris에서 에메랄드 패치가있는 고양이의 나비, 광결정은 날개 비늘의 키틴에 나노 크기의 구멍이 배열되어 있습니다. 구멍은 약 150 나노 미터의 지름을 가지며 거의 같은 거리만큼 떨어진다. 구멍은 작은 패치로 규칙적으로 정렬됩니다. 이웃하는 패치에는 방향이 다른 배열이 포함됩니다. 결과적으로 에메랄드 패치 된 소의 심장 비늘은 무지개 빛깔이 아닌 다양한 각도로 녹색 빛을 고르게 반사합니다. Lamprocyphus augustus, 브라질에서 바구미, chitin의 외골격 무지개 빛깔의 녹색 타원형 비늘로 덮여있다. 여기에는 모든 방향으로 배향 된 다이아몬드 기반 결정 격자가 포함되어있어 각도에 따라 거의 변하지 않는 선명한 녹색 색상을 제공합니다. 비늘은 마이크로 미터 너비 정도의 픽셀로 효과적으로 나뉩니다. 이러한 각 픽셀은 단결정이며 이웃 한 것과 다른 방향으로 빛을 반사합니다.
간섭 효과를 만들기위한 선택적인 거울은 Papilio palinurus, 에메랄드 페타 나비의 날개 비늘에 여러 층의 키틴이 줄 지어있는 미크론 크기의 그릇 모양의 구덩이로 구성됩니다. 이들은 두 파장의 빛에 대해 매우 선택적 인 거울의 역할을합니다. 노란색 빛은 구덩이의 중심에서 직접 반사됩니다. 파란 빛은 구덩이의 측면에 의해 두 번 반사됩니다. 조합은 녹색으로 보이지만 현미경으로 파란 원으로 둘러싸인 노란 반점의 배열로 볼 수 있습니다.
중공 나노 파이버의 육각형 배열로 형성된 크리스탈 섬유는 바다 쥐인 웜 (Aphrodita)의 강포 한 무지개 빛깔의 색을 만들어냅니다. 색깔은 일종의 공격이며, 공격하지 않는 포식자들입니다. 중공 강모의 키틴 벽은 육각형 벌집 모양의 광결정을 형성한다. 육각형 구멍은 0.51 μm 떨어져있다. 구조는 마치 Aphrodita를 해양 유기체 중 가장 무지개 빛깔의 물질로 만드는 88 개의 회절 격자가 쌓인 것처럼 광학적으로 작동합니다.
변형 된 매트릭스는 스폰지 같은 각질 매트릭스에서 무작위로 배열 된 나노 채널로 구성되어 파란색과 노란색 잉꼬 인 Ara ararauna의 확산되지 않는 무지개 빛깔의 파란색을 만듭니다. 반사가 모두 같은 방향으로 정렬되어 있지 않기 때문에 색상은 여전히 훌륭하지만 각도에 따라 많이 변하지 않으므로 무지개 빛깔이 아닙니다.
헬리콥터로 적층 된 셀룰로오스 미세 섬유로 형성된 나선형 코일은 아프리카 허브 인 Pollia condensata의 “marble berries”에서 브래그 반사를 생성하여 자연에서 가장 강렬한 청색을 나타냅니다. 베리의 표면에는 두꺼운 벽을 가진 4 개의 세포층이 있으며, 파란색 빛으로 보강 간섭을 허용하도록 투명 셀룰로오스의 나선이 들어 있습니다. 이 세포들 밑에는 진한 갈색 탄닌을 함유 한 2 ~ 3 개의 세포층이 있습니다. Pollia는 Morpho 나비의 날개보다 더 강한 색을 생산하며 모든 식물에서 알려진 구조 착색의 첫 번째 사례 중 하나입니다. 각 셀에는 섬유가 겹쳐져서 이웃과 다른 색을 나타내며 화려한 녹색, 보라색 및 빨간색 점으로 얼룩덜룩 한 다른 블루스로 픽셀 화 또는 점묘 효과를냅니다. 어느 한 셀의 섬유는 왼손잡이이거나 오른 손잡이이므로 각 셀은 한 방향 또는 다른 방향으로 반사하는 빛을 원형으로 편광합니다. Pollia는이 식물 종을 방문하는 종자를 먹는 새들이 편광 된 빛을인지 할 수 없기 때문에 시각적 기능을 갖고 있지 않은 빛의 무작위 편광을 나타내는 것으로 알려진 최초의 유기체입니다. 나선형 미세 구조는 무지개 빛깔의 색을 띄는 풍뎅이 딱정벌레에서도 발견됩니다.
미나리 아재비의 꽃잎의 상단 두 레이어를 기반으로 한 확산 반사체가있는 얇은 필름. 화려한 황색 광택은 식물 중 희귀 한 노란색 안료와 구조 착색의 조합에서 유래합니다. 매우 매끄러운 상피는 반사적이고 무지개 빛깔의 박막으로 작용합니다. 예를 들어, Ranunculus acris에서이 층의 두께는 2.7 마이크로 미터입니다. 특이한 전분 세포는 확산되지만 강력한 반사체를 형성하여 꽃의 광택을 강화합니다. 구부러진 꽃잎은 태양열을 꽃 중앙의 생식기 부분으로 보내고 주변 온도보다 약간 섭씨 온도를 유지하는 포물선 모양의 접시를 형성합니다.
주문 곡면에 구성된 표면 격자는 고기를 잘라내어 주문한 근육 세포를 노출 시켰습니다. 고기 컷에 대한 구조 착색은 근육 피 브릴의 정렬 패턴이 노출되고 피 브릴의 단백질에 의해 빛이 회절 된 후에 만 나타납니다. 회절 광의 착색이나 파장은 관찰 각도에 따라 달라지며 육질을 반투명 포일로 덮음으로써 향상 될 수 있습니다. 표면을 거칠게하거나 건조로 수분을 제거하면 구조가 붕괴되어 구조적 착색이 사라집니다.
가변 구조물
오징어와 같은 두족류를 비롯한 일부 동물은 위장 및 신호 전달 모두에서 색상을 빠르게 바꿀 수 있습니다. 메커니즘은 두 가지 구성 사이에서 전환 할 수있는 가역성 단백질을 포함합니다. Doryteuthis pealeii 오징어의 피부에있는 색소 세포의 단백질 구성을 전하로 제어합니다. 전하가 없을 때, 단백질은 단단히 쌓아서 더 얇고 더 반사되는 층을 형성한다. 전하가 존재할 때 분자들은 더 느슨하게 쌓여 두꺼운 층을 형성한다. 크로 모토 포어는 여러 개의 반사 레이어를 포함하기 때문에 스위치는 레이어 간격을 변경하여 반사되는 빛의 색상을 변경합니다.
파란 고리 낙지는 피부의 색소 세포에 효과적인 위장 패턴을 표시하면서 틈에 숨어있는 많은 시간을 보냅니다. 자극을 받으면 색이 빨리 변해 밝은 황색이되어 50-60 개의 고리가 3 분의 1 초 내에 밝은 무지개 빛깔의 파란색으로 깜박입니다. 큰 푸른 고리로 덮인 문어 (Hapalochlaena lunulata)에서는 고리가 다중 층의 이리도 포어를 포함하고 있습니다. 이들은 넓은 시야 방향에서 청록색 광을 반사하도록 배열됩니다. 파란색 링의 빠른 깜박임은 신경 제어하에있는 근육을 사용하여 이루어집니다. 정상적인 상황에서, 각 반지는 iridophores 위의 근육의 수축에 의해 숨겨져 있습니다. 이러한 긴장과 근육이 고리 밖에서 수축되면 밝은 파란색 고리가 노출됩니다.
기술 분야
구조적 착색은 산업적으로나 상업적으로 착취 될 수 있으며 이러한 응용으로 이어질 수있는 연구가 진행 중이다. 직접적인 평행선은 카멜레온이나 두족류처럼 자신의 환경에 맞게 색상과 패턴이 다른 능동적이거나 적응력이 뛰어난 군용 위장 직물을 만드는 것입니다. 다른 파장의 빛에 대한 반사율을 변화시키는 능력은 트랜지스터처럼 기능 할 수있는 효율적인 광 스위치로 이어져 엔지니어가 고속 광학 컴퓨터와 라우터를 만들 수있게합니다.
집파리의 복안 표면은 반사를 줄여 입사광의 투과율을 높이는 효과가있는 미세 투영으로 밀집되어 있습니다. 유사하게, 일부 나방의 눈에는 빛의 파장보다 작은 기둥의 배열을 사용하여 반사 방지 표면이 있습니다. “Moth-eye”나노 구조는 창, 태양 전지, 디스플레이 장치 및 군사 스텔스 기술을위한 저 반사 유리를 만드는 데 사용될 수 있습니다. “moth-eye”원리를 사용하는 반사 방지 생체 모방 표면은 먼저 금 나노 입자로 리소그래피로 마스크를 만든 다음 반응성 이온 에칭을 수행하여 제조 할 수 있습니다.