孔雀华丽尾羽色彩的变幻莫测一直吸引着好奇的目光。17世纪英国科学家罗伯特·胡克称其为“奇异的”，部分原因是羽毛遇水后颜色会消失。胡克使用新发明的显微镜来研究羽毛，发现羽毛表面覆盖着细小的脊状结构，他认为这些结构可能会产生鲜艳的黄色、绿色和蓝色。
胡克的思路是正确的。鸟类羽毛、蝴蝶翅膀和鱿鱼身体的鲜艳色彩通常不是由吸光色素产生的，而是由宽度仅为几百纳米的微小结构阵列产生的。这些结构的尺寸和间距从阳光的完整光谱中挑选出特定的波长。这些色调通常也具有虹彩，像魔法一样，根据我们观察动物的角度，从蓝色变为绿色，或从橙色变为黄色而变化。而且，由于颜色仅仅是通过反射光线而不是像色素那样吸收部分光线而产生的，因此它们可以更加鲜艳。南美洲和中美洲的蓝色大闪蝶在远至一公里的地方都能被看到；当阳光穿透热带森林的树冠并反射到其翅膀上时，它似乎会发光。
科学家们开始更全面地了解生物体精巧排列的纳米结构如何操纵光线，这反过来又启发工程师们在新型人造光学材料中模仿生物设计。这些材料可能会带来更出色的视觉显示效果和新型化学传感器，以及更好的信息存储、传输和处理。
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我们对这些生物结构如何进化知之甚少，但我们至少正在了解它们是如何形成的以及它们如何产生奇异的色彩。大自然没有像电子束那样精密的蚀刻薄层材料的技术，因此它依靠的是独创性。如果工程师能够掌握同样的艺术，他们或许可以开发出廉价的织物，使其外观像鱿鱼的伪装一样变化，或者像计算机芯片一样，以光学方式而非电力方式传输信息，并具有惊人的速度。在这里，我们研究一下大自然形成产生颜色的结构的一些技巧，以及发明家们正在尝试利用这些技巧的方式。
1 层层叠叠
胡克在孔雀羽毛上发现的脊状结构确实会散射光线，但鲜艳的色彩通常来自他看不到的位于表面之下的纳米结构。鸟类彩色羽毛以及鱼类和蝴蝶的鳞片通常包含微观的、有组织的层状或杆状的致密散射光材料。由于层或杆之间的距离与可见光的波长大致相同，因此这些结构会引起称为衍射的现象。入射的特定波长的光线从层上反射并相互“相长”或“相消”干涉，增强反射光中的某些颜色，同时抵消其他颜色。当倾斜光盘的闪亮表面时看到的彩虹色也是通过相同的过程产生的。
在蝴蝶翅膀中，反射层由天然聚合物几丁质制成，并被翅膀鳞片坚硬外表面（角质层）内的充气空隙隔开。在鸟类羽毛中，层或杆由黑色素制成，并嵌入角蛋白中，角蛋白是构成我们头发和指甲的蛋白质。光学工业已经在各种产品中使用由两种材料的超薄交替层制成的衍射光栅，以选择和反射单色光，这些产品包括望远镜和固态激光器。
雄性劳氏小天堂鸟（Parotia lawesii）采用了一种巧妙的技巧，荷兰格罗宁根大学的德克勒·G·斯塔文加在2010年发现了这一技巧。其胸部羽毛上的毛状小枝含有黑色素层，这些黑色素层以一定间距排列，产生鲜艳的橙黄色反射。但是，每个小枝都有一个V形横截面，其倾斜表面也会反射蓝光。在鸟类的求偶仪式中，羽毛的轻微移动可以在橙黄色和蓝绿色之间快速切换颜色，这种变化肯定会引起雌性的注意。
技术专家尚未尝试模仿这种效果，但斯塔文加认为，时尚和汽车行业最终将尝试利用这些颜色变化。织物中的V形微片可以使连衣裙随着穿着者的移动而改变颜色，而油漆中的此类微片可以使驶过的汽车的颜色发生显著变化。
2 圣诞树效应
大蓝闪蝶（Morpho didius）和瑞特诺蓝闪蝶（M. rhetenor）的绚丽蓝色并非来自几丁质的多层结构，而是来自翅膀鳞片中更复杂的纳米结构：形状像圣诞树并在鳞片外表面发芽的几丁质阵列。每棵“树”的平行分支充当另一种衍射光栅。这些阵列可以反射高达80%的入射蓝光。而且由于它们不是平坦的，因此它们可以在一定观看角度范围内反射单一颜色，从而在一定程度上减少虹彩。生物体并不总是希望从不同方向看到时改变颜色。
正如胡克对孔雀羽毛的观察一样，当水流过蓝色大闪蝶的翅膀时，它会改变光的折射。因此，具有不同折射率的不同液体会导致不同的颜色反射。通用电气全球研究中心（位于纽约州尼斯卡尤纳）的研究人员与奥尔巴尼大学的其他研究人员以及蝴蝶翅膀专家、英国埃克塞特大学的皮特·武科西奇合作，正在开发人造的类似大闪蝶的结构，以制造化学传感器，这些传感器可以识别各种不同的液体，并根据它们接触的液体呈现独特的颜色。他们使用从半导体工业借用的微影技术将这些结构雕刻到固体中。这些传感器可能可以检测发电厂的某些排放物或饮用水中的杂质。
3 反光碗
广泛分布于东南亚的翠绿燕尾蝶（Papilio palinurus）的鲜绿色并非由绿光产生。翅膀鳞片上覆盖着微小的碗状凹坑网格，每个凹坑只有几微米宽。凹坑内衬有由空气隔开的几丁质层，这些层充当选择性反射镜。碗底仅反射黄光，而围绕黄色中心的碗壁仅反射蓝光。我们的眼睛无法分辨如此小尺度下的黄色和蓝色，因此我们的大脑将这种组合视为绿色。
佐治亚理工学院的克里斯托弗·萨默斯和莫汉·斯里尼瓦萨劳复制了这种制造颜色的方法。为了制造微小的碗，他们让水蒸气在从液体变为固体的聚合物表面凝结成微小的液滴。水滴像蛋托中的一排排鸡蛋一样紧密地排列在表面上，沉入薄膜中。当聚合物凝固时，液滴蒸发，形成具有碗状凹坑的表面。然后，研究人员在每个碗中沉积氧化钛和氧化铝的薄交替层，以制造模仿蝴蝶碗天然内衬的反射器。
从图案化薄膜反射的光线呈现绿色。但是，当将薄膜放置在一组偏振滤光片下时，从碗中心反射回来的黄光消失了，而来自边缘的蓝光仍然存在。这种机制可以在信用卡和银行卡上提供独特的防伪标记。表面看起来像是简单的绿色反光涂层，实际上却带有隐藏的、偏振的黄色和蓝色签名，难以伪造。不过，斯里尼瓦萨劳承认，他们尝试复制蝴蝶绿色的主要原因是“它本身就很漂亮”。
4 纳米海绵
另一种蝴蝶，翠绿斑纹凤蝶（Parides sesostris），通过使用不同的纳米结构来创造绿色；同样，不涉及任何色素。它的翅膀鳞片上布满了微观的、晶体状的孔洞阵列。这些所谓的“光子晶体”完全排斥特定波长带内的光线，从而导致该光线反射。蛋白石宝石是由堆叠在一起的微小二氧化硅球体构成的光子晶体，它们散射光线，从而使宝石呈现出虹彩般的彩虹色。光子晶体可用于将光线限制在狭窄的通道内，从而形成波导，波导可能会引导光线绕过计算机芯片上的狭小空间。
在电子显微镜下，翠绿斑纹凤蝶的翅膀鳞片显示出具有锯齿形外观的阵列——由几丁质制成的海绵状斑块，带有规则的孔洞图案，孔洞直径约为150纳米左右。每个斑块都是一个光子晶体，其角度与其邻近斑块略有不同。这种结构使其能够在较宽的入射角范围内反射光谱绿色部分的光线。一些象鼻虫和其他甲虫也从由几丁质制成的光子晶体中获得虹彩色。
耶鲁大学的生物学家理查德·普鲁姆和他的同事们已经弄清楚了这些光子晶体如何在幼年蝴蝶翅膀发育时生长。基本上，胚胎翅膀鳞片细胞中的脂质自发地在三维空间中形成图案模板，几丁质在它们周围硬化。然后，当细胞死亡时，脂质分解，留下具有规则空隙图案的空心基质。
研究人员正在尝试从头开始制造类似的结构。例如，类脂分子（称为表面活性剂）会形成有序的海绵，所谓的嵌段共聚物也会形成有序的海绵。康奈尔大学的乌尔里希·维斯纳已使用这些共聚物将铌和氧化钛纳米颗粒排列成类似矿物的“纳米海绵”结构。
这些多孔固体可能会在广泛的应用中找到用途，例如更高效、低成本的太阳能电池。此外，维斯纳已经计算出，由银或铝等金属制成的纳米海绵可能具有负折射率的奇异特性，这意味着它们会“反向”弯曲光线。如果可以制造出此类材料，它们可能会形成用于光学显微镜的超级透镜，可以对小于光波长的物体进行成像，这在传统显微镜中是不可能实现的。
5 晶体纤维
动物可以通过多种方式雕刻光子晶体。一些海生蠕虫（如海鼠（Aphrodita））的刺包含数百纳米宽的空心纤维的六边形阵列。这些由几丁质制成的阵列排斥光谱红色部分的光线，使海鼠刺呈现出虹彩红色。
尚不清楚这些光学特性在海鼠中是否具有任何生物学功能。但是，在光学技术中，这种光操纵纤维肯定存在应用。现任德国埃尔兰根马克斯·普朗克光科学研究所的菲利普·罗素已将玻璃毛细管束加热并拉制成薄纤维，这些纤维中镶嵌着六边形排列的孔洞。如果在原始束的中间添加更宽的毛细管或实心杆，则会在孔洞阵列中产生缺陷，光线可以沿着该缺陷通过，同时被排除在周围的光子晶体之外。这创建了一种光纤，其包层基本上对特定波长带内的光线是不可渗透的。
光子晶体光纤比传统光纤“泄漏”的光线更少，因此它们可以取代电信网络中的标准光纤。它们将需要更少的功率，从而无需昂贵的放大器来增强长距离传输的信号。传统光纤在急弯处变得特别容易泄漏，在急弯处，将光线限制在光纤内部的反射效率较低。光子晶体没有这个问题，因为它们的光捕获不依赖于反射。因此，它们在狭小、封闭的空间中应该工作得更好，从而产生比我们计算机和手机中的电子芯片快得多的光学微芯片。
6 变形基质
为了产生颜色，一些生物形成具有无序图案而不是有序图案的海绵状基质。这种结构变化产生了许多鸟类绚丽的蓝色和绿色羽毛，这些羽毛缺乏蜂鸟或孔雀身上看到的虹彩。由于这些情况下的海绵状角蛋白纳米结构是无序的，因此光散射是漫射的，类似于天空的蓝色，而不是镜面般和虹彩的，因此从任何角度观看时颜色都显得均匀。
在蓝黄金刚鹦鹉（Ara ararauna）和黑帽翡翠（Halcyon pileata）中，羽毛羽支中的基质中的空隙形成曲折的通道，宽度约为100纳米。蓝眼梭子鱼甲虫（Cyphochilus beetle）角质层中类似的随机网络使其具有令人眼花缭乱的亮白色外壳。在蓝冠伞鸟（Lepidothrix coronata）中，气孔不是通道，而是小的、连接的气泡。
耶鲁大学的普鲁姆认为，通道或气泡是在早期发育过程中，当角蛋白像油从水中分离出来一样，从羽毛形成细胞的液体中自发分离出来时产生的。他还认为，鸟类已经进化出一种控制角蛋白分离速率的方法，因此当空隙达到一定尺寸时，通道或气泡的形成就会停止。这个尺寸决定了散射光的波长，从而决定了羽毛的颜色。
漫射光散射可以在其他天然和人造物质中看到。在牛奶中，尺寸范围广泛的脂肪微滴会散射所有可见波长，从而产生不透明的白色。
埃克塞特大学的武科西奇已经模仿了蓝眼梭子鱼甲虫的角质层，使用碳酸钙或二氧化钛与聚合物混合的随机多孔基质，制成非常白色的薄涂层。与此同时，普鲁姆和耶鲁大学的生物工程师埃里克·杜弗雷斯内也模仿了鸟类羽毛的无序海绵，通过创建随机堆积的微观聚合物珠薄膜，获得了蓝绿色。这些方法可能会产生具有强烈、高度不透明颜色的涂层，即使它们非常薄，而且颜色永远不会褪色，因为薄膜不包含有机色素。
7 可逆蛋白质
大自然最令人羡慕的光学技巧之一是产生可逆的颜色变化。枪乌贼科（Loliginidae）的鱿鱼利用一种名为反射蛋白的蛋白质来创造和改变其皮肤的颜色。蛋白质分子排列成虹彩细胞（iridophores）内的板状堆叠，虹彩细胞反射特定的颜色。生物学家认为，颜色变化可作为伪装，也可用于交配和展示攻击行为的交流。
加州大学圣巴巴拉分校的丹尼尔·莫尔斯正在研究虹彩细胞如何改变颜色。反射蛋白分子折叠成纳米颗粒，纳米颗粒形成板状结构。板状结构夹在虹彩细胞膜的褶皱之间。当神经递质激活生化过程，中和反射蛋白的电荷时，蛋白质会更紧密地堆积在一起。这种变化增加了板状结构的反射率并改变了它们的间距，从而改变了颜色。如果反射蛋白重新获得电荷，则这种变化可以逆转。
莫尔斯认为他可以在光学设备中模仿这种机制，或许可以使用反射蛋白本身。他的团队已将编码长鳍鱿鱼（Loligo pealeii）中的反射蛋白的基因插入大肠杆菌（Escherichia coli）中。当表达时，蛋白质会塌陷成纳米颗粒。可以使用控制蛋白质电荷之间相互作用的盐来调节颗粒大小。然后，这些材料可能会膨胀和收缩，从而响应化学触发器而改变反射波长。
莫尔斯还开发了一种聚合物，该聚合物响应电压而发生从透明到不透明的剧烈转变，电压会改变聚合物的反射率并通过吸入盐来使聚合物膜膨胀。可以使用简单的、低技术的制造方法来制造使用这些材料的设备。他的团队正在与位于加利福尼亚州戈利塔的雷神视觉系统公司合作，将这种材料变成红外摄像机的快速快门，从而通过检测热量而不是光线来实现高速“夜间拍摄”。
本文以印刷版形式发表，标题为“大自然的色彩戏法”。