饰品之家讯：孔雀因其翅膀上变化多端、绚烂多彩的花纹而使人着迷，这也让生物学家们感到疑惑:孔雀令人眼花缭乱的颜色是如何形成的，它又有什么应用意义呢?《PNAS》杂志刊登了一项研究成果———《孔雀羽毛的色彩策略》［1］，此项研究表明，小羽枝表皮下面的周期结构是羽毛具有颜色的原因。与此同时，Giraldo等［2］在研究蝴蝶翅膀时，也揭示了这个秘密———翅膀上的纳米结构是蝴蝶的“色彩工厂”。
纳米结构造就了孔雀之美与蝴蝶之艳。自然界中的颜色主要是通过色素来产生，但有些动物经历进化后选择了纳米结构生色，即依靠自然光与波长尺度相似的纳米结构的相互作用而产生颜色。物理学家牛顿第一个提出:包括孔雀在内的鸟类羽毛、昆虫翅膀等的颜色不完全来源于色素生成。
由此，结构色概念应运而生。结构色是一种无须用染料、颜料着色就能产生的颜色。与染料或色素相比，它最大的特点是避免了印染行业生产和应用的环境污染，彻底解决了着色过程中的污水排放问题，还可以大量节省水电消耗，是当前纺织节能减排工作中冉冉升起的“明日之星”。色素生色随着色素化学结构的变化，颜色会改变甚至消失;而结构生色能够产生出更强的光，所产生的颜色特别明亮，甚至还具有金属光泽［3］。只要保证结构生色材料的折射率和尺寸不变，其颜色是永远不会消减的。如果把仿生结构生色这个战略构想实现于纺织印染领域，会给该行业带来革命性的改变。
等［1］利用光学测量、电子显微镜观察以及理论模拟，研究了孔雀羽毛颜色的来源。与牛顿的“薄膜干涉”结构生色理论有所不同，他们发现除了产生干涉的薄膜性结构以外，孔雀羽毛的小羽枝表皮下面还存在着规律的周期性结构。实验和理论模拟结果显示，二维周期结构沿表皮方向对某一波段的光有很强的反射，从而形成不同颜色。其调控方式主要有两种:一种是调控周期长度，另一种是调控周期数目。不同颜色是由表皮下周期结构不同的周期长度来控制的，小羽枝的棕色、黄色、绿色、蓝色所对应的周期长度依次减少。通过Fabry-Perot干涉效应(F-P效应)产生的棕色羽毛，其周期数目最小;再加上F-P效应引起额外的蓝颜色，从而混合后呈棕色。
尽管人们已经知道了许多鸟类羽毛中存在着规律性的周期结构，但对于孔雀羽毛颜色来源的物理机制还没有清晰的了解。为了进一步研究孔雀羽毛的仿生应用，我们利用显微镜研究了不同颜色孔雀羽毛的微观结构，发现在光学显微镜下，孔雀羽毛上的小羽枝表面呈现鲜艳的金属颜色，同时存在分段的节状结构。
·材料与方法实验材料取自雄性孔雀尾部绚丽多彩的羽毛。实验仪器包括光学显微镜、扫描电镜、红外光谱仪、色谱仪、表面张力仪等。
·结果疏水性测试用表面张力仪测量羽毛表面与水的接触角可以表征其亲疏水性。对孔雀羽毛进行亲疏水性测试的结果表明，羽毛对水的接触角平均值为127°(图1)，疏水性很强，由此想到“荷叶效应”———当羽毛的表面有大量突起的纳米结构，可以形成强疏水性，表面接触角会大大增加。
孔雀羽毛显微结构在100倍的放大倍数下，可以清楚地看到羽毛在白光照射下呈现彩色(图2(a))。随着观察角度的变换，颜色差别很大，从淡黄到深绿。在放大500倍后，可以很清楚地看到小羽枝的色彩呈现金属光泽，表面有清晰的鳞片层，呈竹节状结构(图2(b))。
因为孔雀羽毛不导电，我们对羽毛样品进行蒸金膜处理，采用1500 V电压，3 mA的电流，蒸金膜处理1.5分钟两次。所选的孔雀羽毛是分别在光学显微镜下呈现黄绿色和蓝色的两个区域。图3是黄绿色孔雀羽毛在扫描电镜观察下的微观结构图，放大200倍。与在光学显微镜下观察到的鳞片状结构相同，小羽枝的轴直径平均为50～80μm，每个节的长度平均为30～40μm。
根据文献［1］，这些外在结构并不是生成色彩的主要原因，因此我们对孔雀羽毛更为微观的结构进行了观察。从小羽枝上锁定一个羽毛裂纹，通过更高倍数进一步放大观察其微观结构。图4为孔雀羽毛黄绿色区域的微观结构逐步放大图，放大倍数从1500倍，8000倍，15000倍到最高的25000倍。
该实验不仅从侧面验证了Zi等［1］的重要发现，同时也更加清晰地看到小羽枝中蛋白纤维的二维光子晶体结构的积聚状态和形成特征。我们发现这些蛋白质晶体纤维的粗细度均匀，排列方向严格按照小羽枝的轴向，所以能够从物理结构上形成良好的干涉现象，生出绚丽的颜色。该孔雀羽毛黄色区域的蛋白纤维尺度大小为150～160 nm，与文献［4］所指出的产生绿色和黄色的结构尺度比较接近。
孔雀羽毛光学测定为了进一步确定孔雀羽毛的颜色，我们利用色度仪进行了颜色标定。由于孔雀羽毛的颜色与羽毛测定的角度有关，我们将孔雀羽毛的茎平行放置，测定其黄绿色区域的吸光情况(图5)。
为了比较不同颜色部分的差别，我们测定了其红外光谱。从图6可知，两个样品的成分没有太大区别，证实了孔雀羽毛的生色机制主要是因为物理结构差异。
·讨论通过对孔雀羽毛结构生色原理进行进一步的研究，证明其不完全光子带隙结构有着强烈的反光效果，并且向不同的角度发射出不同的颜色光彩。周期性的纳米结构与光线作用引起了结构生色，角蛋白杆排列的紧密程度以及相互叠加的层数决定了孔雀羽毛呈现出黄、绿、蓝、棕等不同颜色。蛋白质晶体纤维所引起的干涉现象是孔雀羽毛绚丽多姿的根源，正是它们使本来无色的生物体由于结构的发光而呈现出闪烁斑斓的色彩。
结合纳米仿生制备技术，可以人工模拟纳米结构单元，用于纺织纤维行业中将使新型“印染”颜色明亮且永不消失。孔雀羽毛的纳米结构生色机理逐渐开始促进人类进一步控制和利用色彩，如增加视觉或产生视觉干扰。基于自然界蝴蝶翅瓣表面薄片的折射率、大小、形状和厚度不同，通过薄膜干涉生色产生各种颜色的原理，日本已开创性地研制出了结构生色纤维Motphotex丝。它是一种多层结构的中空纤维，其扁平截面由数量非常多的PET/PA薄层交替紧密叠合而成。通过严格选择一定折射率的高聚物和适合的各薄层厚度，使各纤维薄层对光产生干涉，使光发生相长增强作用，从而产生很强的一定波长的彩色光［5］。利用结构生色原理进一步开发纺织品着色技术，是提高纺织品颜色深度和鲜艳度的重要措施之一，是一种高水平的生态着色工艺［6-7］。最大限度地利用结构生色，可以最大限度地减少染料颜料用量，或简化缩短染整加工工艺，达到减少污染、省水节能的目的。相信越来越多的纳米结构生色产品将在不久的未来畅销于市场。
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