Структурная окраска — это производство цвета с помощью микроскопически структурированных поверхностей, достаточно тонких, чтобы помешать видимому свету, иногда в сочетании с пигментами. Например, перья павлиньи хвоста пигментированные коричневые, но их микроскопическая структура заставляет их также отражать синий, бирюзовый и зеленый свет, и они часто радуют.

Структурная окраска была впервые отмечена английскими учеными Робертом Гуком и Исааком Ньютоном, а ее принцип — волновой интерференцией, — объяснил Томас Янг спустя столетие. Юнг описал переливание в результате интерференции между отражениями от двух или более поверхностей тонких пленок в сочетании с преломлением, когда свет проникает и выходит из таких пленок. Затем геометрия определяет, что под определенными углами свет, отраженный от обеих поверхностей, конструктивно вмешивается, а под другими углами свет оказывает разрушающее воздействие. Поэтому разные цвета появляются под разными углами.

У животных, таких как перья птиц и весы бабочек, интерференция создается рядом фотонных механизмов, включая дифракционные решетки, селективные зеркала, фотонные кристаллы, кристаллические волокна, матрицы наноканалов и белков, которые могут изменять их конфигурацию. Некоторые куски мяса также демонстрируют структурную окраску из-за воздействия периодического расположения мышечных волокон. Многие из этих фотонных механизмов соответствуют сложным структурам, видимым с помощью электронной микроскопии. В немногих растениях, которые эксплуатируют структурную окраску, яркие цвета создаются структурами внутри ячеек. Самая блестящая синяя окраска, известная в любой живой ткани, обнаружена в мраморных ягодах Pollia condensata, где спиральная структура целлюлозных фибрилл порождает брэгговское рассеяние света. Яркий блеск лютиков производится тонкопленочным отражением эпидермиса, дополненного желтой пигментацией, и сильным диффузным рассеянием на слое крахмальных клеток сразу под ним.

Структурная окраска имеет потенциал для промышленного, коммерческого и военного применения, с биомиметическими поверхностями, которые могут обеспечить яркие цвета, адаптивную маскировку, эффективные оптические переключатели и стекло с низким коэффициентом отражения.

история
В своей книге «Микрография» в 1665 году Роберт Гук описал «фантастические» цвета перьев павлина:

Части Перьев этой славной Птицы появляются через Микроскоп, не менее безвкусные, тогда делают все Перья; поскольку, как невооруженным глазом, очевидно, что стебель или перо каждого перо в хвосте рассылают множество боковых ветвей … поэтому каждая из этих нитей в Микроскопе выглядит большим длинным телом, состоящим из множества ярких отражающих частей.
… их верхние стороны кажутся мне состоящими из множества тонких покрытых тел, которые превосходят тонкие и лежат очень близко друг к другу и, таким образом, подобно матерью из перламутровых оболочек, не отражают очень яркий свет, но окрашивают этот свет самым любопытным образом; и с помощью различных положений, в отношении света, они отражают теперь один цвет, а затем другой, и наиболее ярко. Теперь, что эти цвета являются совершенно фантастическими, то есть такими, которые возникают сразу после преломления света, я обнаружил, что вода, смачивающая эти части цвета, разрушает их цвета, которые, похоже, продолжаются от изменения отражения и преломления.

В своей книге «Opticks» 1704 года Исаак Ньютон описал механизм цветов, отличных от коричневого пигмента павлиньих хвостовых перьев. Ньютон отметил, что

Мелкоцветные перья некоторых Птиц, особенно те из павлиньих хвостов, в той же самой части Пера появляются несколько Цвета в нескольких позициях Глаза, после того же самого способа, когда тонкие пластины были найдены делают в 7-м и 19-м наблюдениях, и поэтому их Цвета возникают из-за тонкости прозрачных частей Перьев; то есть из-за хрупкости очень тонких Волосок или Капилленты, которые растут по бокам более грубых боковых ветвей или волокон этих Перьев.

Томас Янг (1773-1829) расширен Ньютон в том, что свет может также вести себя как волна. В 1803 году он показал, что свет может дифрагировать от острых краев или щелей, создавая интерференционные картины.

В своей книге «Окраска животных» в 1892 году Фрэнк Эверс Беддард (1858-1925) признал существование структурных цветов:

Цвета животных обусловлены либо исключительно наличием определенных пигментов в коже, либо … под кожей; или они частично вызваны оптическими эффектами, обусловленными рассеянием, дифракцией или неравномерным преломлением световых лучей. Цвета последнего вида часто упоминаются как структурные цвета; они вызваны структурой цветных поверхностей. Металлический блеск перьев многих птиц, таких как жужжащие птицы, обусловлен наличием чрезмерно тонких бороздок на поверхности перьев.: 1

Но Беддард в значительной степени отклонил структурную окраску, во-первых, как подчиненную пигментам: «в каждом случае [структурный] цвет нуждается в отображении фона темного пигмента»: 2, а затем утверждая его редкость: «На сегодняшний день наиболее распространенным источником цвет у беспозвоночных животных — это присутствие в коже определенных пигментов »2: 2, хотя он позже признает, что золотистый моль Кейпта имеет« структурные особенности »в его волосах, которые« порождают яркие цвета ».: 32

принципы
Структура не пигмент

Дополнительная информация: Перо
Структурная окраска вызвана интерференционными эффектами, а не пигментами. Цвета производятся, когда материал оценивается с помощью тонких параллельных линий, образованных из одного или нескольких параллельных тонких слоев или иначе состоящих из микроструктур в масштабе длины волны цвета.

Структурная окраска отвечает за блюз и зелень перьев многих птиц (например, пчелоед, зимородок и ролик), а также множество крыльев бабочек, крылатые крылышки (надкрылья) и (хотя и редкие среди цветов) блеск лепестков лютика. Они часто радужные, как в павлиньих перьях и перламутровых раковинах, таких как жемчужные устрицы (Pteriidae) и Наутилус. Это связано с тем, что отраженный цвет зависит от угла обзора, который, в свою очередь, регулирует кажущееся расстояние ответственных структур. Структурные цвета могут сочетаться с пигментными цветами: перья павлина пигментированы коричневым цветом с меланином, в то время как лепестки лютика имеют как каротиноидные пигменты для желтизны, так и тонкие пленки для отражательной способности.

Принцип радужки
Дополнительная информация: тонкопленочная интерференция и переливание

Радиация, как объяснил Томас Янг в 1803 году, создается, когда чрезвычайно тонкие пленки отражают часть света, падающего на них с их верхних поверхностей. Остальная часть света проходит сквозь пленки, а другая часть отражается от их нижних поверхностей. Два набора отраженных волн перемещаются вверх в одном направлении. Но так как нижние отраженные волны двигались немного дальше — контролировались толщиной и показателем преломления пленки и углом падения света — два набора волн были не в фазе. Когда волны имеют одну или более целую длину волны друг от друга — другими словами, при определенных углах, они добавляют (мешают конструктивно), давая сильное отражение. При других углах и разностях фаз они могут вычитать, давая слабые отражения. Поэтому тонкая пленка избирательно отражает только одну длину волны — чистый цвет — при любом заданном угле, но другие длины волн — разные цвета — под разными углами. Таким образом, по мере того как тонкопленочная структура, такая как крыло бабочки или перо птицы, кажется, меняет цвет.

Механизмы
Фиксированные структуры
Ряд фиксированных структур может создавать структурные цвета с помощью механизмов, включая дифракционные решетки, селективные зеркала, фотонные кристаллы, кристаллические волокна и деформированные матрицы. Структуры могут быть гораздо более сложными, чем одна тонкая пленка: пленки могут быть сложены, чтобы обеспечить сильное переливание, объединить два цвета или сбалансировать неизбежное изменение цвета с углом, чтобы получить более диффузный, менее радужный эффект. Каждый механизм предлагает конкретное решение проблемы создания яркого цвета или комбинации цветов, видимых со всех сторон.

Дифракционная решетка, построенная из слоев хитина и воздуха, порождает радужные цвета различных чешуек крыльев бабочки, а также хвостовых перьев птиц, таких как павлин. Гук и Ньютон были верны в своих утверждениях о том, что цвета павлина создаются интерференцией, но структуры, ответственные за близость длины волны света в масштабе (см. Микрофотографии), были меньше структурных структур, которые они могли видеть своими световыми микроскопами. Другой способ получения дифракционной решетки — это древовидные массивы хитина, как и в масштабах крыла некоторых из блестящих тропических бабочек Морфо (см. Рисунок). Еще один вариант существует в Parotia lawesii, parotia Lawes, райской птицы. Барбулы перьев его ярко окрашенного грудного пластыря V-образны, создавая тонкопленочные микроструктуры, которые сильно отражают два разных цвета, ярко-сине-зеленый и оранжево-желтый. Когда птица перемещает цветные переключатели резко между этими двумя цветами, вместо того, чтобы плавно перемещаться. Во время ухаживания мужская птица систематически делает небольшие движения для привлечения самок, поэтому структуры должны эволюционировать с помощью сексуального отбора.

Фотонные кристаллы могут образовываться по-разному. В Parides sesostris, изучаемой изумрудной бабочкой скота, фотонные кристаллы образованы массивами наноразмерных отверстий в хитине крыла. Отверстия имеют диаметр около 150 нанометров и расположены примерно на одном расстоянии друг от друга. Отверстия размещаются регулярно небольшими пятнами; соседние патчи содержат массивы с различной ориентацией. В результате эти изумрудно-заплаченные шкалы скота скота отражают зеленый свет равномерно под разными углами, а не радуют. У Lamprocyphus augustus, долгоносика из Бразилия , экзосилетон хитина покрыт радужными зелеными овальными чешуйками. Они содержат кристаллические решетки на основе алмаза, ориентированные во всех направлениях, чтобы дать блестящую зеленую окраску, которая вряд ли меняется с углом. Весы эффективно делятся на пиксели шириной около микрометра. Каждый такой пиксель представляет собой монокристалл и отражает свет в направлении, отличном от его соседей.

Селективные зеркала для создания интерференционных эффектов формируются из чашеобразных ячеек микронного размера, выложенных несколькими слоями хитина в крыловых шкалах Papilio palinurus, изумрудной бабочки-ласточкин хвост. Они действуют как высокоселективные зеркала для двух длин волн света. Желтый свет отражается непосредственно от центров ям; синий свет отражается дважды по бокам ям. Комбинация выглядит зеленой, но ее можно рассматривать как массив желтых пятен, окруженных синими кругами под микроскопом.

кристалл волокна, образованные из гексагональных массивов полых нановолокна, создают яркие радужные цвета щетинок Aphrodita, морской мыши, не червеобразного рода морских аннелид. Цвета являются апосематическими, предупреждая хищников не атаковать. Стены хитина полых щетинок образуют шестиугольный сотообразный фотонный кристалл; гексагональные отверстия равны 0,51 мкм. Структура ведет себя оптически, как если бы она состояла из стека из 88 дифракционных решеток, что делало Афродиту одним из самых радужных морских организмов.

Деформированные матрицы, состоящие из случайно ориентированных наноканалов в губчатой ​​кератиновой матрице, создают диффузный неосвещенный синий цвет Ара Арарауны, сине-желтого ара. Поскольку отражения не все расположены в одном направлении, цвета, хотя и великолепные, не сильно отличаются углом, поэтому они не радуют.

Спиральные катушки, образованные из геликоидально уложенных целлюлозных микрофибрилл, создают брэгговское отражение в «мраморных ягодах» африканской травы Pollia, что приводит к самой интенсивной синей окраске, известной в природе. Поверхность ягоды имеет четыре слоя клеток с толстыми стенками, содержащими спирали прозрачной целлюлозы, отстоящие друг от друга, чтобы обеспечить конструктивное взаимодействие с синим светом. Ниже этих клеток находится слой двух или трех клеток, содержащий темно-коричневые танины. Pollia производит более сильный цвет, чем крылья бабочек Morpho, и является одним из первых случаев структурной окраски, известной на любом растении. Каждая ячейка имеет собственную толщину штабелированных волокон, что делает ее отражением другого цвета от ее соседей и создает эффект пикселирования или пуантилизма с различными блюзами, красными с блестящими зелеными, фиолетовыми и красными точками. Волокна в любой одной ячейке являются либо левыми, либо правыми, поэтому каждая ячейка циркулярно поляризует свет, который он отражает в одном или другом направлении. Pollia является первым организмом, который, как известно, проявляет такую ​​случайную поляризацию света, которая, тем не менее, не имеет зрительной функции, поскольку птицы, питающиеся семенами, которые посещают этот вид растений, не способны воспринимать поляризованный свет. Спиральные микроструктуры также встречаются у жуков-скарабеев, где они производят радужные цвета.

Тонкая пленка с диффузным отражателем, основанная на двух верхних слоях лепестков лютика. Блестящий желтый блеск происходит от комбинации, редкой среди растений, желтого пигмента и структурной окраски. Очень гладкий верхний эпидермис действует как отражающая и радужная тонкая пленка; например, в Ranunculus acris, слой имеет толщину 2,7 микрометра. Необычные крахмальные клетки образуют диффузный, но сильный отражатель, улучшающий блеск цветка. Изогнутые лепестки образуют параболоидное блюдо, которое направляет солнечную жару к репродуктивным частям в центре цветка, сохраняя его на несколько градусов Цельсия выше температуры окружающей среды.

Поверхностные решетки, состоящие из упорядоченных поверхностей, обусловлены воздействием упорядоченных мышечных клеток на срезы мяса. Структурная окраска мясных порезов проявляется только после того, как выставлена ​​упорядоченная картина мышечных фибрилл, и свет дифрагируется белками в фибриллах. Цвет или длина волны дифрагированного света зависят от угла наблюдения и могут быть усилены путем покрытия мяса полупрозрачными пленками. При повторной обработке поверхности или удалении воды путем сушки структура разрушается, поэтому структурная окраска исчезает.

Переменные структуры
Некоторые животные, включая головоногих, таких как кальмары, могут быстро менять цвета, как для камуфляжа, так и для сигнализации. Механизмы включают обратимые белки, которые могут переключаться между двумя конфигурациями. Конфигурация белков рефлексина в клетках хроматофоры в коже кальмара Doryteuthis pealeii контролируется электрическим зарядом. Когда заряд отсутствует, белки стекаются вместе плотно, образуя тонкий, более отражающий слой; когда заряд присутствует, молекулы стекают более свободно, образуя более толстый слой. Так как хроматофоры содержат несколько слоев отражателя, переключатель меняет расстояние между слоями и, следовательно, цвет света, который отражается.

Голубоглазые осьминоги проводят большую часть своего времени, прячась в расщелинах, показывая эффективные камуфляжные узоры с их дермальными клетками хромофора. Если они спровоцированы, они быстро меняют цвет, становясь ярко-желтым, причем каждое из 50-60 колец мигает ярким радужным синим в течение трети секунды. В большем голубоватом осьминоге (Hapalochlaena lunulata) кольца содержат многослойные иридофоры. Они предназначены для отражения сине-зеленого света в широком направлении просмотра. Быстрые вспышки синих колец достигаются с помощью мышц под нервным контролем. При нормальных обстоятельствах каждое кольцо скрывается сокращением мышц над иридофорами. Когда эти релаксации и мышцы снаружи кольца сжимаются, яркие синие кольца выставляются.

В технологии
Структурную окраску можно использовать промышленно и коммерчески, и исследования, которые могут привести к таким приложениям, уже ведутся. Прямой параллелью было бы создание активных или адаптивных военных камуфляжных тканей, которые бы отличались бы их цветами и узорами в соответствии с их окружением, как это делают хамелеоны и головоногие. Возможность варьировать отражательную способность для разных длин волн света также может привести к созданию эффективных оптических переключателей, которые могут функционировать как транзисторы, что позволяет инженерам быстро создавать оптические компьютеры и маршрутизаторы.

Поверхность сложного глаза домохозяйки плотно заполнена микроскопическими проекциями, которые влияют на уменьшение отражения и, следовательно, увеличивают передачу падающего света. Аналогично, глаза некоторых бабочек имеют просветляющие поверхности, снова используя массивы столбов, меньших длины волны света. «Монофокусные» наноструктуры могут быть использованы для создания стекла с низким коэффициентом отражения для окон, солнечных элементов, устройств отображения и военных стелс-технологий. Антирефлективные биомиметические поверхности, использующие принцип «мольного глаза», могут быть изготовлены путем создания маски литографией с наночастицами золота, а затем проведения реактивного ионного травления.