火鸟毛的微观结构及变色机理的分析

殷熠萍　陈凯丽　许夏昕　杨树

摘 要：在生物界中，颜色的形成主要来源于色素和光子晶体，而由光子晶体产生的颜色称为结构色，是由于生物体的微观结构引起光的干涉、衍射或散射而形成的。本文选取火鸟羽毛作为实验对象，对其使用OM、SEM进行结构观测，找寻其结构特征与色彩间的关系。

关键词：火鸟毛；结构色；光子晶体

颜色本身并不真正存在，它是由于人类的生理行为再结合主观感受，使得光波的振动对应为颜色，是可见光对视觉神经产生的反映，即一定波长的可见光可产生一定的颜色反映。

在自然界中许多生物体都具有五彩斑斓的色彩，从呈色机理来看，颜色主要通过化学生色和物理生色[1]产生，化学生色是指通过色素产生的色彩，但色素分子对光没有方向性的反射和吸收，所以从任何角度看光的颜色都是一样的。而结构色则可随入射角的变化而改变，其产生的物理机制是光与光学尺度的微观结构的相互作用[2]，因此不同的微观结构将会产生不同的光学现象，其产生结构色的方式主要有如下几种。

（1）薄膜干涉。当光线入射到单层薄膜时，薄膜上表面的反射光与薄膜下表面反射后的折射光相干，从而对特定波长光的反射加强。当薄膜层数增加时，相干变得越强，最后导致某一特定波段光的完全反射，从而产生明亮的色彩，如宝石甲虫翅膀上明亮的绿色就是由此产生的，这个过程称为薄膜干涉[3]。

（2）光子晶体结构中的光子禁带。在1987年Yabnolovitch[4]和John[5]提出了光子晶体概念，即拥有光子带隙的周期性介电结构就称为光子晶体[6]，由于折射率的变化，周期性空间分布也会随之改变。而具有该结构的材料通常称为“具有光子带隙”的材料，当带隙范围落在可见光范围内，特定波长的可见光会被反射，从而呈现被反射光的颜色。

纺织行业是我国国民经济的传统支柱产业，也是支撑高新技术发展的重要产业。目前市场上彩色面料的颜色大多依靠染料或涂料的染色来实现，但存在着弊端，比如色彩一旦确定就不能修改，无法根据使用者的要求随意改变；涂料会严重影响面料的手感；而染料的化学作用则更会影响面料本身的多种优良性能；更为严重的是，两者都会对环境造成难以估量的污染，危及着人畜的生命健康。

鉴于此，通过研究自然界色彩呈现规律，并利用仿生学的手段，将呈色原理引入到面料的色彩实现中，从而可实现彩色面料的无染化[7]，以达到绿色环保、满足消费者随意改变色彩的要求。

1.火鸟毛的微观结构光学显微镜分析

1.1实验对象

本实验所涉及的试验对象为火鸟羽毛。火鸟是现代大型鸟之一，其体型仅次于非洲鸵鸟，体高可达1.5-2米，成年雌性火鸟比雄性大，现多为人工养殖。火鸟羽毛如图1所示。

1.2实验仪器

本实验采用纤维细度仪显微镜，在50×10放大倍数倍下对羽毛表面形态进行初步地观察。

1.3实验结果

通过肉眼观察火鸟毛的表面形态，可发现火鸟毛在不同的毛隙之间，由于光的可透性可看到不同的色彩。利用显微细度仪显微镜进一步观察可得如图2所示结果，其羽小枝有序地呈线条状向一个方向排列，直径约在400～520μm。

2.火鸟毛微观结构扫描电镜分析

虽然从普通显微镜试验结果中，可整体上对羽毛内部的空间排列及其颜色有大致的了解。但是，要达到研究和分析羽毛微观结构对可见光作用的目的，普通显微镜所达到的放大倍数是远远不够的，这就需要用更微观的方法和试验仪器来精确和微观地描述羽毛的微结构。

2.1实验对象

本实验采用的样本为火鸟毛。

2.2实验仪器

QUANTA-250型扫描电子显微镜，进行5次不同放大倍数地测试。

2.3实验结果

如图3可观察到，火鸟毛是由许多根小羽枝构成，在每一个小羽枝上都存在着线条状的周期性结构，直径约为 260～310μm，线条长度在230.2μm左右，同时可以看出每根小羽枝排布都较杂乱。

3.火鸟羽毛结构参数与其颜色的关系分析

羽毛的结构参数与其颜色的关系，总结如表1所示。

4.结论

由上述实验观察分析可得火鸟毛的羽小枝杂乱地排列着，从而导致在不同的毛隙之间，由于光的可透性而呈现不同的色彩。因此从学习并了解自然界中，可发现许多动植物的颜色主要来源

于光与其表面的相互作用，通过研究火鸟毛的微观结构与其色彩呈现之间的规律，利用仿生学手段，可将结构色的呈色原理引入到彩色面料的色彩实现中，从而实现彩色面料的无染化。

[参考文献]

[1]张骜，袁伟，周宁，张克勤. 结构生色及其染整应用（三）[J]. 印染，2012，（15）.

[2]Parker A. R.， Welch V. L.， Driver D.， Martini N.， Structural colour： Opal analogue discovered in a weevil [J]， Nature， 2003， 426， 786.

[3]Yablonovitch E.， Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics [J]， Phys. Rev. Lett.， 1987， 58， 2059.

[7]韓志武，邬立岩，邱兆美，任露泉. 紫斑环蝶鳞片的微结构及其结构色[J]. 科学通报，2008，（22）.

本研究受国家自然科学基金资助（No. 51403078）， 国家留学基金委资助（No.201508330017），浙江省教育厅资助（No.Y201226223）和嘉兴学院重点SRT项目资助（No.851715079）。

（作者单位：嘉兴学院南湖学院化纺系，浙江 嘉兴 314000）