孔雀華麗尾羽色彩的變幻莫測一直吸引著好奇的目光。17世紀英國科學家羅伯特·胡克稱其為“奇異的”，部分原因是羽毛遇水後顏色會消失。胡克使用新發明的顯微鏡來研究羽毛，發現羽毛表面覆蓋著細小的脊狀結構，他認為這些結構可能會產生鮮豔的黃色、綠色和藍色。
胡克的思路是正確的。鳥類羽毛、蝴蝶翅膀和魷魚身體的鮮豔色彩通常不是由吸光色素產生的，而是由寬度僅為幾百奈米的微小結構陣列產生的。這些結構的尺寸和間距從陽光的完整光譜中挑選出特定的波長。這些色調通常也具有虹彩，像魔法一樣，根據我們觀察動物的角度，從藍色變為綠色，或從橙色變為黃色而變化。而且，由於顏色僅僅是透過反射光線而不是像色素那樣吸收部分光線而產生的，因此它們可以更加鮮豔。南美洲和中美洲的藍色大閃蝶在遠至一公里的地方都能被看到；當陽光穿透熱帶森林的樹冠並反射到其翅膀上時，它似乎會發光。
科學家們開始更全面地瞭解生物體精巧排列的奈米結構如何操縱光線，這反過來又啟發工程師們在新型人造光學材料中模仿生物設計。這些材料可能會帶來更出色的視覺顯示效果和新型化學感測器，以及更好的資訊儲存、傳輸和處理。
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我們對這些生物結構如何進化知之甚少，但我們至少正在瞭解它們是如何形成的以及它們如何產生奇異的色彩。大自然沒有像電子束那樣精密的蝕刻薄層材料的技術，因此它依靠的是獨創性。如果工程師能夠掌握同樣的藝術，他們或許可以開發出廉價的織物，使其外觀像魷魚的偽裝一樣變化，或者像計算機晶片一樣，以光學方式而非電力方式傳輸資訊，並具有驚人的速度。在這裡，我們研究一下大自然形成產生顏色的結構的一些技巧，以及發明家們正在嘗試利用這些技巧的方式。
1 層層疊疊
胡克在孔雀羽毛上發現的脊狀結構確實會散射光線，但鮮豔的色彩通常來自他看不到的位於表面之下的奈米結構。鳥類彩色羽毛以及魚類和蝴蝶的鱗片通常包含微觀的、有組織的層狀或桿狀的緻密散射光材料。由於層或杆之間的距離與可見光的波長大致相同，因此這些結構會引起稱為衍射的現象。入射的特定波長的光線從層上反射並相互“相長”或“相消”干涉，增強反射光中的某些顏色，同時抵消其他顏色。當傾斜光碟的閃亮表面時看到的彩虹色也是透過相同的過程產生的。
在蝴蝶翅膀中，反射層由天然聚合物幾丁質製成，並被翅膀鱗片堅硬外表面（角質層）內的充氣空隙隔開。在鳥類羽毛中，層或杆由黑色素製成，並嵌入角蛋白中，角蛋白是構成我們頭髮和指甲的蛋白質。光學工業已經在各種產品中使用由兩種材料的超薄交替層製成的衍射光柵，以選擇和反射單色光，這些產品包括望遠鏡和固態雷射器。
雄性勞氏小天堂鳥（Parotia lawesii）採用了一種巧妙的技巧，荷蘭格羅寧根大學的德克勒·G·斯塔文加在2010年發現了這一技巧。其胸部羽毛上的毛狀小枝含有黑色素層，這些黑色素層以一定間距排列，產生鮮豔的橙黃色反射。但是，每個小枝都有一個V形橫截面，其傾斜表面也會反射藍光。在鳥類的求偶儀式中，羽毛的輕微移動可以在橙黃色和藍綠色之間快速切換顏色，這種變化肯定會引起雌性的注意。
技術專家尚未嘗試模仿這種效果，但斯塔文加認為，時尚和汽車行業最終將嘗試利用這些顏色變化。織物中的V形微片可以使連衣裙隨著穿著者的移動而改變顏色，而油漆中的此類微片可以使駛過的汽車的顏色發生顯著變化。
2 聖誕樹效應
大藍閃蝶（Morpho didius）和瑞特諾藍閃蝶（M. rhetenor）的絢麗藍色並非來自幾丁質的多層結構，而是來自翅膀鱗片中更復雜的奈米結構：形狀像聖誕樹並在鱗片外表面發芽的幾丁質陣列。每棵“樹”的平行分支充當另一種衍射光柵。這些陣列可以反射高達80%的入射藍光。而且由於它們不是平坦的，因此它們可以在一定觀看角度範圍內反射單一顏色，從而在一定程度上減少虹彩。生物體並不總是希望從不同方向看到時改變顏色。
正如胡克對孔雀羽毛的觀察一樣，當水流過藍色大閃蝶的翅膀時，它會改變光的折射。因此，具有不同折射率的不同液體會導致不同的顏色反射。通用電氣全球研究中心（位於紐約州尼斯卡尤納）的研究人員與奧爾巴尼大學的其他研究人員以及蝴蝶翅膀專家、英國埃克塞特大學的皮特·武科西奇合作，正在開發人造的類似大閃蝶的結構，以製造化學感測器，這些感測器可以識別各種不同的液體，並根據它們接觸的液體呈現獨特的顏色。他們使用從半導體工業借用的微影技術將這些結構雕刻到固體中。這些感測器可能可以檢測發電廠的某些排放物或飲用水中的雜質。
3 反光碗
廣泛分佈於東南亞的翠綠燕尾蝶（Papilio palinurus）的鮮綠色並非由綠光產生。翅膀鱗片上覆蓋著微小的碗狀凹坑網格，每個凹坑只有幾微米寬。凹坑內襯有由空氣隔開的幾丁質層，這些層充當選擇性反射鏡。碗底僅反射黃光，而圍繞黃色中心的碗壁僅反射藍光。我們的眼睛無法分辨如此小尺度下的黃色和藍色，因此我們的大腦將這種組合視為綠色。
佐治亞理工學院的克里斯托弗·薩默斯和莫漢·斯里尼瓦薩勞複製了這種製造顏色的方法。為了製造微小的碗，他們讓水蒸氣在從液體變為固體的聚合物表面凝結成微小的液滴。水滴像蛋託中的一排排雞蛋一樣緊密地排列在表面上，沉入薄膜中。當聚合物凝固時，液滴蒸發，形成具有碗狀凹坑的表面。然後，研究人員在每個碗中沉積氧化鈦和氧化鋁的薄交替層，以製造模仿蝴蝶碗天然內襯的反射器。
從圖案化薄膜反射的光線呈現綠色。但是，當將薄膜放置在一組偏振濾光片下時，從碗中心反射回來的黃光消失了，而來自邊緣的藍光仍然存在。這種機制可以在信用卡和銀行卡上提供獨特的防偽標記。表面看起來像是簡單的綠色反光塗層，實際上卻帶有隱藏的、偏振的黃色和藍色簽名，難以偽造。不過，斯里尼瓦薩勞承認，他們嘗試複製蝴蝶綠色的主要原因是“它本身就很漂亮”。
4 奈米海綿
另一種蝴蝶，翠綠斑紋鳳蝶（Parides sesostris），透過使用不同的奈米結構來創造綠色；同樣，不涉及任何色素。它的翅膀鱗片上佈滿了微觀的、晶體狀的孔洞陣列。這些所謂的“光子晶體”完全排斥特定波長帶內的光線，從而導致該光線反射。蛋白石寶石是由堆疊在一起的微小二氧化矽球體構成的光子晶體，它們散射光線，從而使寶石呈現出虹彩般的彩虹色。光子晶體可用於將光線限制在狹窄的通道內，從而形成波導，波導可能會引導光線繞過計算機晶片上的狹小空間。
在電子顯微鏡下，翠綠斑紋鳳蝶的翅膀鱗片顯示出具有鋸齒形外觀的陣列——由幾丁質製成的海綿狀斑塊，帶有規則的孔洞圖案，孔洞直徑約為150奈米左右。每個斑塊都是一個光子晶體，其角度與其鄰近斑塊略有不同。這種結構使其能夠在較寬的入射角範圍內反射光譜綠色部分的光線。一些象鼻蟲和其他甲蟲也從由幾丁質製成的光子晶體中獲得虹彩色。
耶魯大學的生物學家理查德·普魯姆和他的同事們已經弄清楚了這些光子晶體如何在幼年蝴蝶翅膀發育時生長。基本上，胚胎翅膀鱗片細胞中的脂質自發地在三維空間中形成圖案模板，幾丁質在它們周圍硬化。然後，當細胞死亡時，脂質分解，留下具有規則空隙圖案的空心基質。
研究人員正在嘗試從頭開始製造類似的結構。例如，類脂分子（稱為表面活性劑）會形成有序的海綿，所謂的嵌段共聚物也會形成有序的海綿。康奈爾大學的烏爾裡希·維斯納已使用這些共聚物將鈮和氧化鈦奈米顆粒排列成類似礦物的“奈米海綿”結構。
這些多孔固體可能會在廣泛的應用中找到用途，例如更高效、低成本的太陽能電池。此外，維斯納已經計算出，由銀或鋁等金屬製成的奈米海綿可能具有負折射率的奇異特性，這意味著它們會“反向”彎曲光線。如果可以製造出此類材料，它們可能會形成用於光學顯微鏡的超級透鏡，可以對小於光波長的物體進行成像，這在傳統顯微鏡中是不可能實現的。
5 晶體纖維
動物可以透過多種方式雕刻光子晶體。一些海生蠕蟲（如海鼠（Aphrodita））的刺包含數百奈米寬的空心纖維的六邊形陣列。這些由幾丁質製成的陣列排斥光譜紅色部分的光線，使海鼠刺呈現出虹彩紅色。
尚不清楚這些光學特性在海鼠中是否具有任何生物學功能。但是，在光學技術中，這種光操縱纖維肯定存在應用。現任德國埃爾蘭根馬克斯·普朗克光科學研究所的菲利普·羅素已將玻璃毛細管束加熱並拉制成薄纖維，這些纖維中鑲嵌著六邊形排列的孔洞。如果在原始束的中間新增更寬的毛細管或實心杆，則會在孔洞陣列中產生缺陷，光線可以沿著該缺陷透過，同時被排除在周圍的光子晶體之外。這建立了一種光纖，其包層基本上對特定波長帶內的光線是不可滲透的。
光子晶體光纖比傳統光纖“洩漏”的光線更少，因此它們可以取代電信網路中的標準光纖。它們將需要更少的功率，從而無需昂貴的放大器來增強長距離傳輸的訊號。傳統光纖在急彎處變得特別容易洩漏，在急彎處，將光線限制在光纖內部的反射效率較低。光子晶體沒有這個問題，因為它們的光捕獲不依賴於反射。因此，它們在狹小、封閉的空間中應該工作得更好，從而產生比我們計算機和手機中的電子晶片快得多的光學微晶片。
6 變形基質
為了產生顏色，一些生物形成具有無序圖案而不是有序圖案的海綿狀基質。這種結構變化產生了許多鳥類絢麗的藍色和綠色羽毛，這些羽毛缺乏蜂鳥或孔雀身上看到的虹彩。由於這些情況下的海綿狀角蛋白奈米結構是無序的，因此光散射是漫射的，類似於天空的藍色，而不是鏡面般和虹彩的，因此從任何角度觀看時顏色都顯得均勻。
在藍黃金剛鸚鵡（Ara ararauna）和黑帽翡翠（Halcyon pileata）中，羽毛羽支中的基質中的空隙形成曲折的通道，寬度約為100奈米。藍眼梭子魚甲蟲（Cyphochilus beetle）角質層中類似的隨機網路使其具有令人眼花繚亂的亮白色外殼。在藍冠傘鳥（Lepidothrix coronata）中，氣孔不是通道，而是小的、連線的氣泡。
耶魯大學的普魯姆認為，通道或氣泡是在早期發育過程中，當角蛋白像油從水中分離出來一樣，從羽毛形成細胞的液體中自發分離出來時產生的。他還認為，鳥類已經進化出一種控制角蛋白分離速率的方法，因此當空隙達到一定尺寸時，通道或氣泡的形成就會停止。這個尺寸決定了散射光的波長，從而決定了羽毛的顏色。
漫射光散射可以在其他天然和人造物質中看到。在牛奶中，尺寸範圍廣泛的脂肪微滴會散射所有可見波長，從而產生不透明的白色。
埃克塞特大學的武科西奇已經模仿了藍眼梭子魚甲蟲的角質層，使用碳酸鈣或二氧化鈦與聚合物混合的隨機多孔基質，製成非常白色的薄塗層。與此同時，普魯姆和耶魯大學的生物工程師埃裡克·杜弗雷斯內也模仿了鳥類羽毛的無序海綿，透過建立隨機堆積的微觀聚合物珠薄膜，獲得了藍綠色。這些方法可能會產生具有強烈、高度不透明顏色的塗層，即使它們非常薄，而且顏色永遠不會褪色，因為薄膜不包含有機色素。
7 可逆蛋白質
大自然最令人羨慕的光學技巧之一是產生可逆的顏色變化。槍烏賊科（Loliginidae）的魷魚利用一種名為反射蛋白的蛋白質來創造和改變其皮膚的顏色。蛋白質分子排列成虹彩細胞（iridophores）內的板狀堆疊，虹彩細胞反射特定的顏色。生物學家認為，顏色變化可作為偽裝，也可用於交配和展示攻擊行為的交流。
加州大學聖巴巴拉分校的丹尼爾·莫爾斯正在研究虹彩細胞如何改變顏色。反射蛋白分子摺疊成奈米顆粒，奈米顆粒形成板狀結構。板狀結構夾在虹彩細胞膜的褶皺之間。當神經遞質啟用生化過程，中和反射蛋白的電荷時，蛋白質會更緊密地堆積在一起。這種變化增加了板狀結構的反射率並改變了它們的間距，從而改變了顏色。如果反射蛋白重新獲得電荷，則這種變化可以逆轉。
莫爾斯認為他可以在光學裝置中模仿這種機制，或許可以使用反射蛋白本身。他的團隊已將編碼長鰭魷魚（Loligo pealeii）中的反射蛋白的基因插入大腸桿菌（Escherichia coli）中。當表達時，蛋白質會塌陷成奈米顆粒。可以使用控制蛋白質電荷之間相互作用的鹽來調節顆粒大小。然後，這些材料可能會膨脹和收縮，從而響應化學觸發器而改變反射波長。
莫爾斯還開發了一種聚合物，該聚合物響應電壓而發生從透明到不透明的劇烈轉變，電壓會改變聚合物的反射率並透過吸入鹽來使聚合物膜膨脹。可以使用簡單的、低技術的製造方法來製造使用這些材料的裝置。他的團隊正在與位於加利福尼亞州戈利塔的雷神視覺系統公司合作，將這種材料變成紅外攝像機的快速快門，從而透過檢測熱量而不是光線來實現高速“夜間拍攝”。
本文以印刷版形式發表，標題為“大自然的色彩戲法”。