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孔雀羽毛的納米結(jié)構(gòu)生色機(jī)理及其仿生結(jié)構(gòu)器件的應(yīng)用初探

來源：中國紡機(jī)網(wǎng)編輯部　發(fā)布時(shí)間：2013年08月01日

孔雀羽毛的納米結(jié)構(gòu)生色機(jī)理及其仿生結(jié)構(gòu)器件的應(yīng)用初探
龔1，盧永凱2王紅鳳1林素君1
1.北京服裝學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100029;2.清華大學(xué)醫(yī)學(xué)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?qū)⒂鹈慕Y(jié)構(gòu)色和動(dòng)態(tài)色中的光子晶體應(yīng)用于印刷品、紡織品中。通過采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等手段對(duì)孔雀羽毛的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并參照二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，深入探討混合色的形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)變化因素對(duì)顏色合成的影響。同時(shí)結(jié)合納米仿生制備技術(shù)，提出了人工仿生結(jié)構(gòu)生色思路，初步探討結(jié)構(gòu)生色在印染、紡織等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：孔雀羽毛;納米結(jié)構(gòu);仿生技術(shù);結(jié)構(gòu)生色
中圖分類號(hào)：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(xué)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(yīng)用意義呢?《PNAS》雜志刊登了一項(xiàng)研究成果———《孔雀羽毛的色彩策略》［1］，此項(xiàng)研究表明，小羽枝表皮下面的周期結(jié)構(gòu)是羽毛具有顏色的原因。與此同時(shí)，Giraldo等［2］在研究蝴蝶翅膀時(shí)，也揭示了這個(gè)秘密———翅膀上的納米結(jié)構(gòu)是蝴蝶的“色彩工廠”。
納米結(jié)構(gòu)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(dòng)物經(jīng)歷進(jìn)化后選擇了納米結(jié)構(gòu)生色，即依靠自然光與波長尺度相似的納米結(jié)構(gòu)的相互作用而產(chǎn)生顏色。物理學(xué)家牛頓第一個(gè)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(jié)構(gòu)色概念應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)構(gòu)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(diǎn)是避免了印染行業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)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(dāng)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(xué)結(jié)構(gòu)的變化，顏色會(huì)改變甚至消失;而結(jié)構(gòu)生色能夠產(chǎn)生出更強(qiáng)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(jié)構(gòu)生色材料的折射率和尺寸不變，其顏色是永遠(yuǎn)不會(huì)消減的。如果把仿生結(jié)構(gòu)生色這個(gè)戰(zhàn)略構(gòu)想實(shí)現(xiàn)于紡織印染領(lǐng)域，會(huì)給該行業(yè)帶來革命性的改變。
Zi等［1］利用光學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)和理論模擬結(jié)果顯示，二維周期結(jié)構(gòu)沿表皮方向?qū)δ骋徊ǘ蔚墓庥泻軓?qiáng)的反射，從而形成不同顏色。其調(diào)控方式主要有兩種:一種是調(diào)控周期長度，另一種是調(diào)控周期數(shù)目。不同顏色是由表皮下周期結(jié)構(gòu)不同的周期長度來控制的，小羽枝的棕色、黃色、綠色、藍(lán)色所對(duì)應(yīng)的周期長度依次減少。通過Fabry-Perot干涉效應(yīng)(F-P效應(yīng))產(chǎn)生的棕色羽毛，其周期數(shù)目最小;再加上F-P效應(yīng)引起額外的藍(lán)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(jié)構(gòu)，但對(duì)于孔雀羽毛顏色來源的物理機(jī)制還沒有清晰的了解。為了進(jìn)一步研究孔雀羽毛的仿生應(yīng)用，我們利用顯微鏡研究了不同顏色孔雀羽毛的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在光學(xué)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(shí)存在分段的節(jié)狀結(jié)構(gòu)。
1·材料與方法
實(shí)驗(yàn)材料取自雄性孔雀尾部絢麗多彩的羽毛。實(shí)驗(yàn)儀器包括光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、紅外光譜儀、色譜儀、表面張力儀等。
2·結(jié)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(duì)孔雀羽毛進(jìn)行親疏水性測試的結(jié)果表明，羽毛對(duì)水的接觸角平均值為127°(圖1)，疏水性很強(qiáng)，由此想到“荷葉效應(yīng)”———當(dāng)羽毛的表面有大量突起的納米結(jié)構(gòu)，可以形成強(qiáng)疏水性，表面接觸角會(huì)大大增加。

2.2孔雀羽毛顯微結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)(圖2(b))。

因?yàn)榭兹赣鹈粚?dǎo)電，我們對(duì)羽毛樣品進(jìn)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(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)黃綠色和藍(lán)色的兩個(gè)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(jié)構(gòu)圖，放大200倍。與在光學(xué)顯微鏡下觀察到的鱗片狀結(jié)構(gòu)相同，小羽枝的軸直徑平均為50～80μm，每個(gè)節(jié)的長度平均為30～40μm。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，這些外在結(jié)構(gòu)并不是生成色彩的主要原因，因此我們對(duì)孔雀羽毛更為微觀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。從小羽枝上鎖定一個(gè)羽毛裂紋，通過更高倍數(shù)進(jìn)一步放大觀察其微觀結(jié)構(gòu)。圖4為孔雀羽毛黃綠色區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)不僅從側(cè)面驗(yàn)證了Zi等［1］的重要發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也更加清晰地看到小羽枝中蛋白纖維的二維光子晶體結(jié)構(gòu)的積聚狀態(tài)和形成特征。我們發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)晶體纖維的粗細(xì)度均勻，排列方向嚴(yán)格按照小羽枝的軸向，所以能夠從物理結(jié)構(gòu)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(xiàn)［4］所指出的產(chǎn)生綠色和黃色的結(jié)構(gòu)尺度比較接近。
2.3孔雀羽毛光學(xué)測定
為了進(jìn)一步確定孔雀羽毛的顏色，我們利用色度儀進(jìn)行了顏色標(biāo)定。由于孔雀羽毛的顏色與羽毛測定的角度有關(guān)，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(gè)樣品的成分沒有太大區(qū)別，證實(shí)了孔雀羽毛的生色機(jī)制主要是因?yàn)槲锢斫Y(jié)構(gòu)差異。

3·討論
通過對(duì)孔雀羽毛結(jié)構(gòu)生色原理進(jìn)行進(jìn)一步的研究，證明其不完全光子帶隙結(jié)構(gòu)有著強(qiáng)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(jié)構(gòu)與光線作用引起了結(jié)構(gòu)

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(lán)、棕等不同顏色。蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)的發(fā)光而呈現(xiàn)出閃爍斑斕的色彩。
結(jié)合納米仿生制備技術(shù)，可以人工模擬納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)生色機(jī)理逐漸開始促進(jìn)人類進(jìn)一步控制和利用色彩，如增加視覺或產(chǎn)生視覺干擾。基于自然界蝴蝶翅瓣表面薄片的折射率、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(jié)構(gòu)生色纖維Motphotex絲。它是一種多層結(jié)構(gòu)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(yán)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(duì)光產(chǎn)生干涉，使光發(fā)生相長增強(qiáng)作用，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的一定波長的彩色光［5］。利用結(jié)構(gòu)生色原理進(jìn)一步開發(fā)紡織品著色技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(dá)到減少污染、省水節(jié)能的目的。相信越來越多的納米結(jié)構(gòu)生色產(chǎn)品將在不久的未來暢銷于市場。

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