自然界色彩繽紛、絢麗多彩，從藍(lán)天、彩虹，到五顏六色的花草、礦物和動物，顏色豐富多彩，真是萬紫千紅。
顏色是可見光對我們視覺神經(jīng)刺激的反映。即一定波長的可見光，產(chǎn)生一定的顏色反映，顏色只是人的一種視覺感覺。
產(chǎn)生或發(fā)射可見光有多種多樣的起源，因此顏色的起因也就有多種多樣。Nassau將顏色的起因大致分為以下五種類型：
(1)電子的振動和簡單激發(fā)：例如火焰、閃電、極光以及碘等的顏色效應(yīng)，其中部分屬高溫等離子體發(fā)射；
(2)電子配位場效應(yīng)的躍遷：紅寶石、祖母綠、綠松石以及各種金屬絡(luò)合染料(或顏色)中的金屬絡(luò)合顏色效應(yīng)都屬這類；
(3)電子在分子軌道問的躍遷：絕大數(shù)有機(jī)染料(或顏料)和一些無機(jī)物(藍(lán)寶石)的顏色效應(yīng)屬這類；
(4)電子在能帶中的躍遷：有色金屬(金、銀、銅和鐵)、半導(dǎo)體以及色心(紫晶、煙水晶)的顏色效應(yīng)屬這類；
(5)幾何和物理光學(xué)效應(yīng)：色散折射、散射、干涉和衍射顏色效應(yīng)。
在這五種起因中，至少可進(jìn)一步細(xì)分為十五種。其中三種是物理作用，一種是化學(xué)作用，還有一種是和化學(xué)共同作用。
物理作用，產(chǎn)生顏色的方式包括光反射、折射和干涉等三種，化學(xué)作用主要是染料和顏色料等色素與光的作用，而一些物質(zhì)，例如寶石的顏色則是物理和化學(xué)共同作用的結(jié)果。例如紅寶石的組成是Al2O3晶體，但含有少量Cr2O3·Al2O3晶體是無色的，Cr2O3則是綠色的，少量Cr2O3存在于Al2O3晶格中則呈現(xiàn)紅色。這是由于相鄰分子的距離受到微擾(壓縮)的原因，Cr-O鍵長微小的縮短，造成激化能量變化，吸收不同波長，使顏色由綠變紅。所以說是物理和化學(xué)共同作用的結(jié)果。
紡織品顯色(包括染色和其它方式著色)屬于光與大塊固體物質(zhì)的相互作用。使紡織品產(chǎn)生顏色也有多種途徑，目前主要是通過施加有色物質(zhì)(吸附染料或粘著上顏料)來產(chǎn)生顏色，但是除此以外，還有其它一些途徑。即使是用染料染色或顏料著色，產(chǎn)生的顏色也受其它因素而改變，本文主要討論物體通過幾何與物理光學(xué)產(chǎn)生顏色及其對紡織品顏色的影響，特別所謂結(jié)構(gòu)生色及其影響。當(dāng)一束光與紡織品發(fā)生相互作用時，至少會發(fā)生如圖1所示的幾種作用方式。
如圖l所示，光與紡織品的作用也是存在物理和化學(xué)作用，這些作用都可產(chǎn)生或影響顏色。物理作用包括(1)反射和漫射；(2)散射和透射；(3)折射或偏轉(zhuǎn)等化學(xué)作用則是對光的吸收。
1、自然界的一些結(jié)構(gòu)生色現(xiàn)象
物體顏色繽紛多彩。產(chǎn)生顏色是基于所含色素對光的吸收和對光的色散、散射、干涉和衍射等作用。色素產(chǎn)生顏色是對光產(chǎn)生選擇吸收作用的結(jié)果，即選擇吸收后互補(bǔ)光的顏色；而由色散、散射、干涉和衍射引起的是選擇反射產(chǎn)生的顏色，后者稱為結(jié)構(gòu)色或組織色。這兩種方式產(chǎn)生的顏色，性能有顯著不同，有關(guān)選擇吸收產(chǎn)生的顏色，大家已很熟悉，因為通過染料染色，涂料著色產(chǎn)生的顏色就屬這種，本文不再重復(fù)。結(jié)構(gòu)色和它有所不同，它不改變強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)色和它有所不同，它不改變光強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)色大致有以下幾種情況：(1)色彩艷麗，且隨方向強(qiáng)烈變化，色彩僅在直射光中看到，主要是由衍射光柵產(chǎn)生的顏色；(2)色彩艷麗，且隨方向適度變化，主要是由薄膜干涉產(chǎn)生的顏色；(3)色彩較艷麗，且不隨方向而變化，主要由散射和色散產(chǎn)生的顏色。
色散產(chǎn)生顏色在普通物理學(xué)中都有介紹，這是牛頓使用一塊棱鏡觀察光譜時發(fā)現(xiàn)的，他解釋這是因為不同顏色光的折射率不同的關(guān)系，因而光通過棱鏡后可呈現(xiàn)紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫等色的光譜。這種色譜的分布決定于棱鏡的折射率和棱鏡頂角大小，不同材料有不同的色散值，不同頂角大小色散分離程度也不同。但和材料對光的吸收無關(guān)，所以是一種最典型的結(jié)構(gòu)生色的例子，光通過棱鏡發(fā)生色散，光波長愈短，色散偏離角愈大，色散后可呈現(xiàn)一連續(xù)的彩虹顏色。
發(fā)生色散的物質(zhì)很多，最常見的是空氣中的小水滴，在雨后或噴水池旁容易見到，這時太陽光線以一次內(nèi)反射形式通過球形小水滴發(fā)生色散。事實(shí)上，光線在小水滴中發(fā)生二次內(nèi)反射時，還可以看到二次彩虹。
寶石和一些其它材料，在反光時會發(fā)生色散，例如金剛石有極高的色散值，當(dāng)金剛石旋轉(zhuǎn)時，有炫耀的彩色閃光出現(xiàn)。一些材料以細(xì)小顆粒施加到紡織品E也可以通過色散產(chǎn)生彩虹一樣的顏色。色散是結(jié)構(gòu)生色最簡單的一種，自然界結(jié)構(gòu)生色往往和色素生色同時出現(xiàn)。有關(guān)生物色素生色我們已有綜述文章發(fā)表。本文重點(diǎn)討論物體通過散射、干涉和衍射產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色。
(1)光散射產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色
波長愈短，散射愈強(qiáng)，1-300nm粒子發(fā)生瑞利散射(小于可是光波長)，較大粒子發(fā)生米氏散射(等于或大于可見光波長)。
典型例子是鳥羽的散射生色。如圖2所示。可是光照射后，光散射局限于羽支上。在羽支的外層上有一層無色透明，厚度約為10um的角質(zhì)，而在角質(zhì)下面則是一層箱狀細(xì)胞或稱蜂窩狀細(xì)胞，在箱狀細(xì)胞下面又有含有黑色素的黑色細(xì)胞層。箱狀細(xì)胞含有大量無規(guī)則的氣囊，大小在30到300nto范圍，它對光有很強(qiáng)的散射能力。羽支對光發(fā)生瑞利散射后產(chǎn)生藍(lán)色。試驗發(fā)現(xiàn)，如果使氣囊充滿液體，例如將藍(lán)色羽毛在酒精中浸湮一定時間，使氣囊充滿酒精，則藍(lán)色會消失，看到的是呈黑色的黑色素，而當(dāng)酒精蒸發(fā)后，又會發(fā)生散射顯露出藍(lán)色。如果用槌敲打羽毛以破壞散射結(jié)構(gòu)，也會使藍(lán)色消失而暴露出黑色素。如果用稀過氧化氫溶液漂白黑色素，藍(lán)色也會消失，然而在羽支背部涂上黑色，則又會使藍(lán)色恢復(fù)。
(2)光干涉產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色
波長相同，傳播方向相近的兩束光會互相作用產(chǎn)生相長增強(qiáng)或相消刪除的作用，例如在薄膜光干涉中，導(dǎo)致皂泡、水上油膜、雙折散材料和一些動物顏色中產(chǎn)生彩虹色彩。這種光干涉色彩的色調(diào)是純粹的，有金屬光澤和透明性，不能采用染色方法獲得，而且隨著觀察者的角度變化而改變顏色。對光干涉產(chǎn)生顏色長期以來進(jìn)行了大量研究，而且可以進(jìn)行精確的測定和控制。
天然存在的幾種干涉生色例子如下：
鳥類羽毛干涉生色：鳥類存在干涉產(chǎn)生顏色，包括它的眼睛和皮膚等部位。即使是鳥類的羽毛，除了前述通過羽毛的羽支，特別是其上面的小倒刺表面組織對光發(fā)生散射，產(chǎn)生藍(lán)色或綠色等外，還會通過干涉產(chǎn)生絢麗色彩，例如孔雀的羽毛，因為羽毛羽支上的小倒刺表面上，存在大小不一的許多薄片。小倒刺表面約為2×100p．1m大小，它被大小約為1×2．5¨m的百片形狀為橢圓形的薄片組織組成的薄膜所覆蓋，而且組成若干相互平行的層狀結(jié)構(gòu)。每層厚度隨蜂鳥種類不同而異，約為200～350nto，它們的大小都約為可見光波長一半左右，因此對可見光會產(chǎn)生多重反射干涉，產(chǎn)生顏色，不同蜂鳥產(chǎn)生的顏色也都不同。
蝴蝶干涉生色：昆蟲的干涉色例子很多，最為典型的是蝴蝶的干涉色。蝴蝶有非常美麗的彩色，重要起因是能夠呈現(xiàn)絢麗的干涉色。圖4為某種蝴蝶的照片，在它的翅膀的薄片對光發(fā)生干涉分不開。
翅瓣鱗粉的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，它大致由兩部分，即翼鱗粉和支條組成。鱗粉大小為150×100μm，厚度約為0.54μm，它上面平行排列著許多薄片(又稱隆線，厚度約為0.08μm)。薄片問距離約為0.14～0.16μm，翼鱗粉高約為1.8μm，相互間距離約為0.70um支撐的支條高約為1.7μm。翅瓣的立體模型見圖5B薄片處在翼鱗粉的陡峭斜邊上，相互平行排列，類似于多層的薄膜可對光發(fā)生干涉作用，當(dāng)入射光以相當(dāng)窄的角度入射到這些平行排列的薄片將產(chǎn)生干涉作用，并產(chǎn)生干涉結(jié)構(gòu)色。
自然界這種干涉作用產(chǎn)生顏色的例子很多，還包括甲殼蟲外殼、魚鱗和眼睛、蛇皮以及一些礦石的干涉生色。
(3)光衍射產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色
光衍射產(chǎn)生結(jié)耕色取決于物體各層間的距離，并隨觀察角度而改變顏色，最典型的例子是液晶生色。
結(jié)構(gòu)生色的現(xiàn)象很多，它的顏色和色素生色有很大不同。它特別明亮，顏色鮮艷，而且往往隨觀察角度而不同。這是一種無污染的生色途徑。
2、紡織品的結(jié)構(gòu)及仿生著色
結(jié)構(gòu)色是一種無需用染料．顏料著色就產(chǎn)生的顏色，即一種清潔無污染的發(fā)色途徑，還可節(jié)水、節(jié)能，結(jié)構(gòu)生色是一種生態(tài)仿生著色途徑。
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