结构着色（Structural coloration）是由微观结构化表面产生的颜色，足以干扰可见光，有时与颜料结合。 例如，孔雀尾羽是有色的棕色，但它们的微观结构使它们也反射出蓝色，绿松石和绿色光，并且它们通常是彩虹色的。
英国科学家罗伯特·胡克和艾萨克·牛顿首次观察到结构着色，它的原理 – 波浪干涉 – 在一个世纪之后由Thomas Young解释。 年轻人描述虹彩是由于薄膜的两个或多个表面的反射之间的干涉以及光线进入和离开这种薄膜时的折射。 然后几何形状确定在某些角度，从两个表面反射的光会相长干涉，而在其他角度时，光会破坏性地干涉。 不同的颜色因此出现在不同的角度。
在诸如鸟类羽毛和蝴蝶鳞片等动物身上，干涉通过一系列光子机制产生，包括衍射光栅，选择性反射镜，光子晶体，晶体纤维，纳米通道矩阵和可改变其配置的蛋白质。 由于暴露了肌肉纤维的周期性排列，一些肉块也显示出结构着色。 许多这些光子机制对应于电子显微镜可见的复杂结构。 在少数利用结构着色的植物中，细胞内的结构产生了绚丽的色彩。 在Pollia condensata的大理石浆果中发现了任何活组织中最出色的蓝色着色，纤维素纤维的螺旋结构产生布拉格定律的光散射。 毛茛的明亮光泽通过表皮的薄膜反射产生，并由黄色色素沉着补充，以及紧靠下面的一层淀粉细胞的强烈弥散散射。
结构着色具有工业，商业和军事应用的潜力，仿生表面可以提供绚丽的色彩，自适应伪装，高效光学开关和低反射率玻璃。
历史
罗伯特胡克在他的1665年的书籍Micrographia中描述了孔雀羽毛的“幻想”色彩：
这只光荣鸟的羽毛的部分通过显微镜显现出来，然后再做整个羽毛; 因为，对于肉眼来说，很明显，尾巴中的每根羽毛的茎或羽毛管都会发出大量的侧枝，因此，显微镜中的每根线都显示出一个长长的身体，由多个明亮的反射部分。
…… 他们的上部在我看来是由许多薄薄的电镀体构成的，这些电极体非常薄，并且非常接近，因此，就像珍珠贝母一样，它不会反射出一种非常活跃的光线，而是会发出光线以最奇怪的方式; 并通过各种立场，在光线方面，他们现在反射回来一种颜色，然后又一种颜色，最鲜明地反射回来。 现在，这些颜色是幻想的，也就是说，如从光的折射中立即出现的那样，我发现由此弄湿了这些着色部分的水，破坏了它们的颜色，这似乎是继续进行的从反射和折射的改变。
在他的1704本书Opticks中，艾萨克牛顿描述了孔雀尾羽棕色色素以外的颜色的机制。 牛顿 注意到
一些鸟类的精细颜色的羽毛，特别是孔雀尾巴的羽毛，在羽毛的同一部分，在几个位置的眼睛中出现几种颜色，以与发现薄板相同的方式在第七和第十九观察中做，因此它们的颜色来自羽毛透明部分的薄弱; 也就是从细长毛发的细长，或从毛羽较粗的侧枝或纤维两侧长出来的毛细管。
托马斯杨（1773-1829）延长 牛顿 通过证明光也可以像波一样表现光的粒子理论。 他在1803年展示光线会从锋利的边缘或狭缝衍射出来，形成干涉图案。
Frank Evers Beddard（1858-1925）在其1892年的着作Animal Coloration中承认存在结构颜色：
动物的颜色不是由于皮肤中存在明确的色素，就是由于皮肤下面; 或者它们部分是由光线的散射，衍射或不等折射引起的光学效应引起的。 后一种颜色通常被称为结构颜色; 它们是由彩色表面的结构引起的。 许多鸟类的羽毛如哼唱的鸟类的金属光泽是由于羽毛表面上存在过多的细纹造成的。
但是，Beddard在很大程度上忽视了结构着色，首先是从颜色的角度来看：“在任何情况下，[结构]颜色都需要展示深色颜料的背景;”2：然后声称它的稀有性：“迄今为止最常见的无脊椎动物的颜色是在皮肤中存在明确的色素“，：2，虽然他后来承认角鲨金黄色的头发具有”结构特性“，能够”产生绚丽的色彩“。
原则
结构不是颜料
结构着色是由干扰效应而不是颜料引起的。 当材料用平行的细线划线，由一个或多个平行薄层组成时，或者在颜色的波长范围内由微结构组成时，会产生颜色。
结构着色是许多鸟类的羽毛（如食蜂鸟，翠鸟和滚筒）的蓝色和绿色的原因，以及许多蝴蝶翅膀，甲壳虫翅（鞘翅目）和（虽然鲜为人知）毛茛花瓣的光泽。 它们通常呈虹彩色，如孔雀羽毛和珠光贝壳，如珍珠贝（凤蝶科）和鹦鹉螺。 这是因为反射的颜色取决于视角，这反过来决定了结构的表观间距。 结构颜色可以与颜料颜色相结合：孔雀羽毛是带有黑色素的着色棕色，而毛茛花瓣具有用于黄色的类胡萝卜色素和用于反射的薄膜。
彩虹原理
正如托马斯杨在1803年所解释的，虹彩是在极薄的薄膜反射从其顶面落下的部分光时形成的。 其余的光线穿过这些薄膜，而其另一部分从它们的底面反射回来。 这两组反射波沿相同的方向向上返回。 但是，由于底部反射波进一步传播 – 由薄膜的厚度和折射率以及光线下降的角度控制 – 两组波的相位差。 当波形相距一个或多个整个波长 – 换言之，在某些特定的角度，他们增加（建设性地干涉），给予强烈的反思。 在其他角度和相位差中，它们可以减去，给出弱反射。 因此，薄膜选择性地反射一个波长 – 一种纯色 – 在任何给定角度，而其他波长 – 不同颜色 – 在不同角度。 所以，像蝴蝶翅膀或鸟羽那样的薄膜结构会移动，似乎会改变颜色。
机制
固定结构
许多固定结构可以通过包括衍射光栅，选择性反射镜，光子晶体，晶体纤维和变形矩阵的机制产生结构色。 结构可以比单个薄膜复杂得多：薄膜可以堆叠起来以产生强烈的彩虹色，结合两种颜色，或者平衡颜色与角度的不可避免的变化，从而产生更多的漫射，更少的虹彩效果。 每种机制都提供了一个特定的解决方案，用于创建从不同方向可见的明亮颜色或颜色组合。
由甲壳素和空气层构成的衍射光栅产生各种蝴蝶翅膀的彩虹色以及诸如孔雀等鸟类的尾羽。 胡克和牛顿声称孔雀的颜色是由干涉造成的，但是这些结构的负责人接近于光的波长（见显微照片），比他们用光学显微镜看到的条纹结构要小。 另一种产生衍射光栅的方法是用几丁质的树形阵列，就像一些色彩鲜艳的热带形态蝴蝶的翅膀一样（见图）。 在Parotia lawesii中存在另一种变种，Lawes的鹦鹉，一种天堂鸟。 它鲜艳的乳房斑点的羽毛的V形是V形的，产生了强烈反映两种不同颜色（明亮的蓝绿色和橙黄色）的薄膜微结构。 当鸟类移动时，颜色会在这两种颜色之间急剧切换，而不是漂移地闪烁。 在求偶过程中，雄鸟系统地进行小动作以吸引女性，所以这些结构必须通过性选择进化。
光子晶体可以以不同的方式形成。 在Parides sesostris中，翡翠修补的牛犊蝴蝶，光子晶体由翅膀几丁质中的纳米孔阵列组成。 这些孔的直径约为150纳米，分开的距离大约相同。 这些孔定期排列成小块; 相邻的贴片包含具有不同方向的阵列。 其结果是，这些祖母绿补丁牛犊鳞片均匀地反射绿光，而不是呈虹彩。 在Lamprocyphus augustus，一个象鼻虫从 巴西 ，几丁质外骨骼覆盖呈虹彩绿色椭圆形鳞片。 这些包含菱形晶格在所有方向取向，以提供鲜明的绿色着色，几乎不随角度变化。 尺度被有效地分成大约一个微米的像素。 每个这样的像素是单晶体并且以与其邻居不同的方向反射光。
创造干涉效应的选择性镜子是由Papilio palinurus（翡翠燕尾蝴蝶）翼鳞上的多层几丁质内衬的微米级碗形凹坑形成的。 这些作为两种波长光的高度选择性反射镜。 黄灯直接从坑的中心反射出来; 蓝色光线被凹坑两侧反射两次。 这种组合看起来是绿色的，但可以看作是在显微镜下被蓝色圆圈包围的一排黄色斑点。
水晶 纤维由中空纳米纤维的六边形阵列形成，产生了Aphrodita（海鼠）毛茛的明亮虹彩色，这是海洋环节动物的非虫状属。 这些颜色是不正确的，警告食肉动物不要发作。 中空鬃毛的几丁质壁形成六边形蜂窝状光子晶体; 六角形孔相距0.51μm。 该结构在光学上表现得如同它由88个衍射光栅组成，使得Aphrodita成为最具虹彩色的海洋生物之一。
变形的基质由海绵状角蛋白基质中随机取向的纳米通道组成，形成蓝色和黄色金刚鹦鹉Ara ararauna的弥漫性非虹彩蓝色。 由于反射不是全部按照相同的方向排列，所以颜色虽然仍然非常华丽，但角度差别不大，因此它们不是彩虹色的。
由螺旋堆叠的纤维素微纤维形成的螺旋线圈在非洲草本植物Pollia condensata的“大理石浆果”中产生布拉格反射，导致自然界中最强烈的蓝色着色。 浆果的表面有四层厚壁细胞，含有间隔的透明纤维素螺旋，以便与蓝光建设性干涉。 这些细胞下方是一层厚度为2或3个细胞，含有深棕色单宁。 Pollia比Morpho蝴蝶的翅膀产生更强的颜色，并且是任何植物已知的第一个结构着色实例之一。 每个单元都有自己的堆叠纤维厚度，使其反射出与其邻居不同的颜色，并产生像素化或点状效果，并带有亮绿色，紫色和红色点的不同蓝色。 任何一个单元中的光纤都是左旋或右旋的，因此每个单元将它反射的光沿一个方向或另一个方向圆偏振。 Pollia是第一个显示光线随机偏振的有机体，但它不具有视觉功能，因为参观该种植物的种子食用鸟类无法感受到偏振光。 螺旋微结构也可以在金龟子甲虫中发现，它们产生彩虹色。
具有漫反射器的薄膜，基于毛茛花瓣的顶部两层。 辉煌的黄色光泽来源于植物中罕见的黄色颜料和结构着色的组合。 非常光滑的上表皮充当反射和彩虹色薄膜; 例如，毛茛属，该层厚2.7微米。 不寻常的淀粉细胞形成了一个弥漫但强烈的反射器，增强了花的光彩。 弯曲的花瓣形成一个抛物面的盘子，将太阳的热量引导到花朵中心的繁殖部分，使其保持在环境温度以上一定的摄氏度。
表面光栅，由有序肌肉细胞暴露在肉块上的有序表面特征组成。 肉切片上的结构着色仅在肌纤维的有序模式暴露并且光被原纤维中的蛋白质衍射之后出现。 衍射光的颜色或波长取决于观察角度，并且可以通过用半透明箔覆盖肉来增强。 使表面粗糙化或通过干燥去除水分导致结构崩溃，因此结构着色消失。
变量结构
包括像鱿鱼这样的头足类动物在内的一些动物能够迅速改变颜色以用于伪装和信号。 这些机制包括可在两种配置之间切换的可逆蛋白质。 Doryteuthis pealeii乌贼皮肤色素细胞中反射蛋白的构型由电荷控制。 当电荷不存在时，蛋白质紧密地堆叠在一起，形成更薄，更反射的层; 当存在电荷时，分子堆叠更松散，形成更厚的层。 由于色素包含多个反射层，因此开关会改变层间距，从而改变反射光的颜色。
蓝圈环绕的章鱼大部分时间都躲在缝隙中，同时用真皮色素细胞显示有效的伪装模式。 如果它们被激发，它们会迅速改变颜色，变得明亮的黄色，每一个50-60环在三分之一秒内闪烁成闪亮的蓝色。 在更大的蓝色环状章鱼（Hapalochlaena lunulata）中，环含有多层的虹膜组织。 它们被安排在宽视角方向反射蓝绿光。 蓝色戒指的快速闪烁是通过神经控制下的肌肉实现的。 在正常情况下，每个环被虹膜上方的肌肉收缩所隐藏。 当这些放松和环外的肌肉收缩时，明亮的蓝色环就暴露出来。
在技术上
结构着色可以在工业上和商业上被利用，并且可能导致这种应用的研究正在进行中。 直接的并行将是创建主动或适应性的军用迷彩织物，它们的颜色和图案会根据其环境而变化，就像变色龙和头足类动物一样。 将反射率改变为不同波长的光的能力还可以导致有效的光学开关，其可以像晶体管那样起作用，使得工程师能够制造快速光学计算机和路由器。
家蝇复眼的表面紧密堆积着微观投影，具有减少反射并因此增加入射光透射的作用。 类似地，一些飞蛾的眼睛具有抗反射表面，再次使用小于光波长的柱子阵列。 “蛾眼”纳米结构可用于制造窗户，太阳能电池，显示设备和军事隐形技术的低反射率玻璃。 使用“蛾眼”原理的抗反射仿生表面可以通过首先通过使用金纳米颗粒的光刻创建掩模，然后执行反应离子蚀刻来制造。