不会褪色的蓝色羽毛

大部分人想到羽毛的颜色可能会想到由有机化合物组成的色素,但除了会褪色的色素以外,科学家已经发现在鸟类的羽毛还有蝴蝶甲虫的壳上,有奈米结构层,因为不同波长的光干涉和绕射的情况不同,而显现出特定的颜色,因为是物理结构,颜色可以保存很久。

thin-film interference其中有个原因是薄层干涉(thin-film interference),在日常生活中的泡泡表面闪亮的颜色也是因为这个原因。看右边的图,由于打到第一层的光(B)和打到第二层的光(A)走的距离不同,只有一些特定波长λ的光,才能在这样的薄层间距d下,在特定的角度θ下,产生建设性干涉(C),加成一个明显的波(上)。波长或角度不对甚至会互相抵销(下)。因此特定的间距可以显现出特定的颜色,物理结构就可以造成我们看到的颜色不同。

但若鸟类的羽毛上都是一层层排列整齐的晶体,会像是穿了一堆亮片。 Richard Prum教授的团队观察到鸟类的蓝色羽毛,是由β角蛋白(β-Keratin)与空气气泡交错,构成一些大范围没有完整重复性但小范围高度整齐排列的非结晶型纳米结构,显现出特定的颜色(A,B)。 Richard Prum教授的团队就特别用小角度X光绕射(E,F),研究几种鸟类蓝色羽毛的纳米结构(C,D)。他发现主要有两种不同的型态:管道型和球型。

接下来他就很好奇,究竟鸟类要如何控制长出一样颜色的羽毛呢? (颜色差太多大概就会被认为非我族类,没鸟要找它交配了)Richard Prum发现鸟类蓝色的羽毛中这两种纳米结构分别与物理上观察到的相分离(phase separation)中自组装(self-assemble)的现象很相近,管道型很像合金冷却后的旋节分解(spinodal decomposition, SD),球型则比较像是啤酒里的二氧化碳从啤酒中分离,形成圆形的气泡(nucleation & growth, N&G)。 Prum认为,透过相分离,可以达到kinetic arrest,在动力学上非常稳定,就把结构锁定,不会再变了

什么是相分离?

phase separation就像刚刚说的啤酒,本来二氧化碳溶在水里待得好好的,后来变成气态跑出来。根据热力学,物质偏好比较稳定的状态存在,随着温度跟组成成分的不同,一堆混合物的稳定状态很可能是均匀混合或是不同相分离(e.g. 油和水),造成最后稳定状态是局部的相分离则是动力学上条件的结果(继续反应下去的速度极小可忽略)。

同样都是相分离,为什么结构一个像是很多条虫(SD),一个有很多小球(N&G)?如右上图所示,T=温度,Φ是容积比,黑色线以上是均匀混合,黑色线以下会局部相分离。根据混合物比例不同,相分离时会产生不一样的结构:SD和N&G。看到这里,你千万别以为鸟类在长羽毛细胞的时候,还得先发高烧再冷却下来。

再随着聚合反应发生,在同样的温度下,就会从均匀混合变成相分离,也就是图中浅黄色的部分。因此他推估,透过产生β角蛋白的速度与量,控制聚合反应,就可以控制羽毛中的最终结构,而展现出不同的蓝色。

目前Prum的实验室也成功重制,模仿上述那种球型奈米结构,做出来的颜色很像。希望以后的衣服、烤漆就不会被晒到褪色啰!

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/shengwu/2531.html