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孔雀羽毛的納米結構生色機理及其仿生結構器件的應用初探

來源：中國紡機網(wǎng)編輯部　發(fā)布時間：2013年08月01日

孔雀羽毛的納米結構生色機理及其仿生結構器件的應用初探
龔1，盧永凱2王紅鳳1林素君1
1.北京服裝學院材料科學與工程學院，北京100029;2.清華大學醫(yī)學院，北京100084;E-mail:clygy@bift.edu.cn
摘要：孔雀羽毛的絢麗色彩啟發(fā)人們考慮是否能夠將羽毛的結構色和動態(tài)色中的光子晶體應用于印刷品、紡織品中。通過采用光學顯微鏡和掃描電鏡等手段對孔雀羽毛的微觀結構進行了分析，并參照二維光子晶體結構模型，深入探討混合色的形成機理及結構變化因素對顏色合成的影響。同時結合納米仿生制備技術，提出了人工仿生結構生色思路，初步探討結構生色在印染、紡織等領域的應用前景。
關鍵詞：孔雀羽毛;納米結構;仿生技術;結構生色
中圖分類號：O644
孔雀因其翅膀上變化多端、絢爛多彩的花紋而使人著迷，這也讓生物學家們感到疑惑:孔雀令人眼花繚亂的顏色是如何形成的，它又有什么應用意義呢?《PNAS》雜志刊登了一項研究成果———《孔雀羽毛的色彩策略》［1］，此項研究表明，小羽枝表皮下面的周期結構是羽毛具有顏色的原因。與此同時，Giraldo等［2］在研究蝴蝶翅膀時，也揭示了這個秘密———翅膀上的納米結構是蝴蝶的“色彩工廠”。
納米結構造就了孔雀之美與蝴蝶之艷。自然界中的顏色主要是通過色素來產(chǎn)生，但有些動物經(jīng)歷進化后選擇了納米結構生色，即依靠自然光與波長尺度相似的納米結構的相互作用而產(chǎn)生顏色。物理學家牛頓第一個提出:包括孔雀在內(nèi)的鳥類羽毛、昆蟲翅膀等的顏色不完全來源于色素生成。
由此，結構色概念應運而生。結構色是一種無須用染料、顏料著色就能產(chǎn)生的顏色。與染料或色素相比，它最大的特點是避免了印染行業(yè)生產(chǎn)和應用的環(huán)境污染，徹底解決了著色過程中的污水排放問題，還可以大量節(jié)省水電消耗，是當前紡織節(jié)能減排工作中冉冉升起的“明日之星”。色素生色隨著色素化學結構的變化，顏色會改變甚至消失;而結構生色能夠產(chǎn)生出更強的

光，所產(chǎn)生的顏色特別明亮，甚至還具有金屬光澤［3］。只要保證結構生色材料的折射率和尺寸不變，其顏色是永遠不會消減的。如果把仿生結構生色這個戰(zhàn)略構想實現(xiàn)于紡織印染領域，會給該行業(yè)帶來革命性的改變。
Zi等［1］利用光學測量、電子顯微鏡觀察以及理論模擬，研究了孔雀羽毛顏色的來源。與牛頓的“薄膜干涉”結構生色理論有所不同，他們發(fā)現(xiàn)除了產(chǎn)生干涉的薄膜性結構以外，孔雀羽毛的小羽枝表皮下面還存在著規(guī)律的周期性結構。實驗和理論模擬結果顯示，二維周期結構沿表皮方向對某一波段的光有很強的反射，從而形成不同顏色。其調控方式主要有兩種:一種是調控周期長度，另一種是調控周期數(shù)目。不同顏色是由表皮下周期結構不同的周期長度來控制的，小羽枝的棕色、黃色、綠色、藍色所對應的周期長度依次減少。通過Fabry-Perot干涉效應(F-P效應)產(chǎn)生的棕色羽毛，其周期數(shù)目最小;再加上F-P效應引起額外的藍顏色，從而混合后呈棕色。
盡管人們已經(jīng)知道了許多鳥類羽毛中存在著規(guī)律性的周期結構，但對于孔雀羽毛顏色來源的物理機制還沒有清晰的了解。為了進一步研究孔雀羽毛的仿生應用，我們利用顯微鏡研究了不同顏色孔雀羽毛的微觀結構，發(fā)現(xiàn)在光學顯微鏡下，孔雀羽毛上的小羽枝表面呈現(xiàn)鮮艷的金屬顏色，同時存在分段的節(jié)狀結構。
1·材料與方法
實驗材料取自雄性孔雀尾部絢麗多彩的羽毛。實驗儀器包括光學顯微鏡、掃描電鏡、紅外光譜儀、色譜儀、表面張力儀等。
2·結果
2.1疏水性測試
用表面張力儀測量羽毛表面與水的接觸角可以表征其親疏水性。對孔雀羽毛進行親疏水性測試的結果表明，羽毛對水的接觸角平均值為127°(圖1)，疏水性很強，由此想到“荷葉效應”———當羽毛的表面有大量突起的納米結構，可以形成強疏水性，表面接觸角會大大增加。

2.2孔雀羽毛顯微結構
在100倍的放大倍數(shù)下，可以清楚地看到羽毛在白光照射下呈現(xiàn)彩色(圖2(a))。隨著觀察角度的變換，顏色差別很大，

從淡黃到深綠。在放大500倍后，可以很清楚地看到小羽枝的色彩呈現(xiàn)金屬光澤，表面有清晰的鱗片層，呈竹節(jié)狀結構(圖2(b))。

因為孔雀羽毛不導電，我們對羽毛樣品進行蒸金膜處理，采用1500V電壓，3mA的電流，蒸金膜處理1.5分鐘兩次。所選的孔雀羽毛是分別在光學顯微鏡下呈現(xiàn)黃綠色和藍色的兩個區(qū)域。圖3是黃綠色孔雀羽毛在掃描電鏡觀察下的微觀結構圖，放大200倍。與在光學顯微鏡下觀察到的鱗片狀結構相同，小羽枝的軸直徑平均為50～80μm，每個節(jié)的長度平均為30～40μm。

根據(jù)文獻［1］，這些外在結構并不是生成色彩的主要原因，因此我們對孔雀羽毛更為微觀的結構進行了觀察。從小羽枝上鎖定一個羽毛裂紋，通過更高倍數(shù)進一步放大觀察其微觀結構。圖4為孔雀羽毛黃綠色區(qū)域的微觀結構逐步放大圖，放大倍數(shù)從1500倍，8000倍，15000倍到最高的25000倍。

該實驗不僅從側面驗證了Zi等［1］的重要發(fā)現(xiàn)，同時也更加清晰地看到小羽枝中蛋白纖維的二維光子晶體結構的積聚狀態(tài)和形成特征。我們發(fā)現(xiàn)這些蛋白質晶體纖維的粗細度均勻，排列方向嚴格按照小羽枝的軸向，所以能夠從物理結構上形成良好的干涉現(xiàn)象，生出絢麗的顏色。該孔雀羽毛黃色區(qū)域的蛋白纖維尺度大小為150～160nm，與文獻［4］所指出的產(chǎn)生綠色和黃色的結構尺度比較接近。
2.3孔雀羽毛光學測定
為了進一步確定孔雀羽毛的顏色，我們利用色度儀進行了顏色標定。由于孔雀羽毛的顏色與羽毛測定的角度有關，我們將孔雀羽毛的莖平行放置，測定其黃綠色區(qū)域的吸光情況(圖5)。

為了比較不同顏色部分的差別，我們測定了其紅外光譜。從圖6可知，兩個樣品的成分沒有太大區(qū)別，證實了孔雀羽毛的生色機制主要是因為物理結構差異。

3·討論
通過對孔雀羽毛結構生色原理進行進一步的研究，證明其不完全光子帶隙結構有著強烈的反光效果，并且向不同的角度發(fā)射出不同的顏色光彩。周期性的納米結構與光線作用引起了結構

生色，角蛋白桿排列的緊密程度以及相互疊加的層數(shù)決定了孔雀羽毛呈現(xiàn)出黃、綠、藍、棕等不同顏色。蛋白質晶體纖維所引起的干涉現(xiàn)象是孔雀羽毛絢麗多姿的根源，正是它們使本來無色的生物體由于結構的發(fā)光而呈現(xiàn)出閃爍斑斕的色彩。
結合納米仿生制備技術，可以人工模擬納米結構單元，用于紡織纖維行業(yè)中將使新型“印染”顏色明亮且永不消失?？兹赣鹈募{米結構生色機理逐漸開始促進人類進一步控制和利用色彩，如增加視覺或產(chǎn)生視覺干擾?；谧匀唤绾岚瓯砻姹∑恼凵渎?、大小、形狀和厚度不同，通過薄膜干涉生色產(chǎn)生各種顏色的原理，日本已開創(chuàng)性地研制出了結構生色纖維Motphotex絲。它是一種多層結構的中空纖維，其扁平截面由數(shù)量非常多的PET/PA薄層交替緊密疊合而成。通過嚴格選擇一定折射率的高聚物和適合的各薄層厚度，使各纖維薄層對光產(chǎn)生干涉，使光發(fā)生相長增強作用，從而產(chǎn)生很強的一定波長的彩色光［5］。利用結構生色原理進一步開發(fā)紡織品著色技術，是提高紡織品顏色深度和鮮艷度的重要措施之一，是一種高水平的生態(tài)著色工藝［6-7］。最大限度地利用結構生色，可以最大限度地減少染料顏料用量，或簡化縮短染整加工工藝，達到減少污染、省水節(jié)能的目的。相信越來越多的納米結構生色產(chǎn)品將在不久的未來暢銷于市場。

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