Структурная окраска в природе

Из книги Л. В. Каабака «Бабочки мира»
Фото: А. Сочивко

До недавнего времени химики считали, что окраска всех материалов, в том числе текстильных, зависит только от присутствия в них красителей и пигментов, способных поглощать какую-то часть лучей видимой части спектра и пропускать (если материалы прозрачны) или отражать (если они непрозрачны) остальные длины волн. Ту часть спектра, которую отражают материалы, наш глаз и воспринимает как цвет. Так учили специалистов по синтезу и применению красителей, так было написано в учебниках, и именно таков механизм химической или абсорбционной окраски.

Примерно 20 лет тому назад оказалось, что природа уже многие миллионы лет может создавать окраску и без специальных окрашенных веществ — только за счёт упорядоченных структур очень маленьких размеров (наноразмеров). Этот механизм окрашивания, в отличие от «химического», основан только на оптических принципах. Когда свет отражается от наноэлементов, структурированных в полислои — решётки, кружева, бороздки, то, поскольку размеры этих элементов соизмеримы с длиной волны света, происходит интерференция, дифракция и рассеивание волн — в результате мы видим цвет. Такую окраску оптического происхождения назвали «структурной». Оказывается, она, наряду с обычной, встречается в природе довольно часто — у насекомых, птиц, рыб, морских моллюсков и растений.

Структурная окраска в живой природе существует примерно 500 миллионов лет. Можно считать, что первый намёк на понятие «структурная окраска» появился в XVII веке у естествоиспытателя Роберта Гука, в его книге «Micrographia». Учёный изложил свою теорию цветов и объяснил окраску тонких слоёв отражением света от их верхней и нижней границ. Фактически это было первое упоминание интерференции.

Правильное объяснение структурной окраски впервые дал лорд Джон Уильям Стретт Рэлей в 1917 году. Он вывел формулу для выражения свойств отражённого света регулярных слоистых структур и утверждал, что окраска двойного кристалла, старого потрескавшегося стекла и покрова жучков и бабочек обусловлена не пигментами, а структурой этих материалов. Также Рэлей заметил, что эти «оптические системы характеризуются размером, соизмеримым с длиной волны падающего света».

Поверхность крыла бабочки
под электронным микроскопом

Следующий толчок к изучению структурной окраски дала появившаяся в 30–40-е годы ХХ века электронная микроскопия. С её помощью удалось изучить строение перьев, в которых тонкие слои кератина чередуются со слоями воздуха, и доказать, что именно строение — причина радужной окраски.

А ещё электронная микроскопия показала, что разнообразная окраска крыльев бабочек семейства Morpho и других тоже возникает за счёт структуры чешуек. Размер их ячеек и геометрия определяют длину волны отражённого света и его интенсивность (в случае бабочек Morpho мы видим сине-голубой цвет). Как правило, именно бабочек Morpho упоминают, когда речь заходит о структурной окраске. Микроскопическая структура их чешуек, равно как и моли Urania, изучены лучше всего.

Крылья бабочек покрыты плотными рядами чешуек. Их микроструктуры у разных видов сильно различаются. Чешуйка с крыла морфиды (а) похожа на дерево с несколькими ярусами «ветвей», в которых и происходит интерференция. Единичная чешуйка моли семейства Urania (в) состоит из пяти слоев кутикулы, каждый из которых имеет толщину 400 нм и отделён от следующего воздушной прослойкой в 100 нм.

Систематические исследования перьев птиц, покровов насекомых, чешуи и кожи обитателей морей и океанов продолжаются до сих пор. Оказалось, что в животном мире существует три вида окраски:

• только структурная (бабочки Morpho),
• только пигментная (как у бабочки лимонницы) и
• структурная в сочетании с пигментной.

Синий цвет крыльев часто создаётся структурной окраской, за счёт чешуек, но если к ним добавляется жёлтый пигмент, то появляется дополнительный зелёный цвет.

Почему мы видим цвет там, где нет цветного пигмента?

Интерференция в тонком слое

Когда свет взаимодействует с тонкой прозрачной плёнкой, часть его отражается от её внешней поверхности, остальной свет проходит через плёнку до её нижней границы, снова отражается, проходит через плёнку до верхней её границы и присоединяется к уже отражённому свету от поверхности.

Поскольку свет проходит путь, равный толщине плёнки, волна, отражённая от верхнего края плёнки, может совпадать или не совпадать по фазе с тем светом, который отражён от нижней границы. Фактически оба отражённых потока, от внешней и внутренней поверхностей пластины, складываются или вычитаются. Если фазы отражённого света от верхней и нижней поверхности не совпадают, то мы не видим окраску: это называется деструктивной интерференцией. Когда фазы совпадают, мы видим цвет — это конструктивная интерференция.

Два вида интерференции

Естественно, разница в фазах двух видов отражённого света будет зависеть от толщины плёнки, коэффициента её преломления, угла освещения и длины волны падающего света...

Простейший пример радужной окраски — это тонкая плёнка масла, керосина и других органических соединений на воде или красочные мыльные пузыри.

Мыльные пузыри

Радужная и переливчатая окраски отличаются от структурной тем, что их цвет и оттенок меняются в зависимости от угла зрения наблюдателя. Но физическая природа у них одинаковая...

... Природные технологии — самые совершенные. Повторить их трудно, но начиная с 60-х годов ХХ века совместные исследования биологов, зоологов, физиков, химиков, математиков начали давать результаты в теоретической и практической биомиметике. В области колористики также начались первые попытки имитации структурной окраски. Безусловно, такая технология имела бы свои преимущества. Во-первых, синтез красителей — это довольно энергоёмкое и малоэкологичное производство. Во-вторых, структурная краска устойчива к свету в отличие от традиционной, которая практически всегда выцветает со временем. Но пока структурная окраска — это новая сложнейшая нанотехнология с кучей нерешённых проблем...

... Пока природа лучше, чем человек, справляется со многими задачами. Но человек понемногу учится делать всё более сложные вещи, поэтому, может быть, завтра производство тканей цвета крыла тропической бабочки или морского перламутра станут рядовыми технологиями.

Источник: Элементы (текст статьи сокращён - мной)