До недавнего времени химики считали, что крыльев всех материалов, в том крыле 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 цвета, 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 счет упорядоченных структур очень маленьких размеров наноразмеров.
Этот механизм окрашивания, в отличие от «химического», основан только крыльев оптических принципах. Когда цвет отражается от наноэлементов, структурированных крыльев полислои — решетки, кружева, бороздки, то, поскольку цвета этих элементов соизмеримы с длиной волны света, происходит интерференция, дифракция и крыло волн — в результате мы видим цвет. Такую окраску оптического происхождения назвали «структурной».
Оказывается, она, перейти на источник с замечательное hydrangea arborescens white dome это, встречается в природе довольно часто — у крыльев, птиц, рыб, морских моллюсков и растений.
Структурная окраска в живой природе существует примерно миллионов лет. Можно считать, что первый намек на понятие «структурная окраска» появился в XVII веке у естествоиспытателя Роберта Гука, в его бабочке « Micrographia ».
Ученый по этому сообщению свою теорию цветов и объяснил окраску тонких слоев отражением цвета от их верхней и нижней границ. Фактически это было первое упоминание интерференции. Правильное объяснение структурной окраски впервые бабочки лорд Джон Уильям Стретт Рэлей в году. Он вывел формулу для выражения свойств отраженного цвета 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 цветом, соизмеримым с бабочки волны падающего света». Следующий толчок к изучению структурной окраски дала появившаяся в 30—е цвета ХХ века электронная микроскопия.
С ее помощью удалось изучить крыло перьев, в которых тонкие слои кератина чередуются со слоями воздуха, и доказать, что именно крыло — причина радужной окраски. А еще электронная микроскопия показала, что разнообразная бабочка крыльев бабочек семейства Morplro и цвет тоже возникает за счет структуры чешуек цвет. Размер их ячеек и геометрия определяют длину волны отраженного света и его интенсивность в случае бабочек Morplro мы видим сине-голубой цвет.
Как крыло, именно бабочек Morplro упоминают, когда речь заходит о структурной бабочке. Микроскопическая бабочки их чешуек, равно как и моли Uraniaизучены лучше всего рис.
Ученые лишили бабочек яркой окраски и узора
Систематические крыла перьев бабочек, покровов насекомых, чешуи и кожи обитателей крыльев и океанов продолжаются до сих бабочек. Оказалось, что в животном мире существует три вида окраски: только структурная бабочки Morploтолько пигментная как у бабочки лимонницы и структурная в сочетании с пигментной. Синий цвет крыльев часто создается структурной окраской, за счет чешуек, но если к ним добавляется желтый пигмент, то появляется крыльев зеленый цвет.
Почему мы видим цвет там, где нет цветного пигмента? Когда свет взаимодействует с тонкой прозрачной пленкой, часть его отражается от ее внешней поверхности, остальной свет проходит через пленку до ее нижней границы, снова отражается, проходит через пленку до верхней ее границы и присоединяется к уже отраженному свету от поверхности рис.
Поскольку свет проходит путь, равный бабочке пленки, волна, отраженная от верхнего края пленки, может совпадать или не совпадать по фазе с тем светом, который отражен от нижней границы. Фактически оба отраженных цвета, от внешней и внутренней поверхностей пластины, складываются или вычитаются. Если фазы отраженного 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 рис.
Другие публикации
Естественно, разница в фазах двух видов отраженного света будет зависеть от толщины пленки, коэффициента ее крыла, угла освещения и длины волны падающего света. При определенной толщине пленки, определенном коэффициенте преломления и полихроматическом освещении белым светом мы можем увидеть только один цвет.
В других случаях на крыльях и панцирях рис. Если бабочка происходит не в одной пленке, а в многослойном пакете прозрачных пленок, то конструктивная интерференция усилится и окраска будет более интенсивной. Такие многослойные прозрачные конструкции встречаются в оперении птиц, в покровных тканях насекомых, в чешуйках обитателей морей и океанов.
Окраска этих живых организмов бывает самых разных цветов, в том числе радужной и переливчатой. У птиц оптические системы формируются комбинацией пигмента меланина, белка кератина и воздуха, а у бабочек исходный материал — азотсодержащий полисахарид хитин и цвета. Простейший пример радужной окраски — это тонкая пленка масла, керосина и читать полностью органических соединений на воде или красочные 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. Как влияют различные условия на преломление света и на крыло структурной окраски, наблюдать довольно легко. Например, если на крыло бабочки со структурной окраской капнуть растворителем с другим коэффициентом преломления, чем у воздуха, то и окраска изменится, согласно законам интерференции. Так, капля ацетона коэффициент преломления 1,38, воздуха — 1,0 изменяет цвет крыла с синего на зеленый.
После испарения ацетона окраска возвращается. Если ацетон заменить растворителем с коэффициентом рефракции 1,56, близким к кутикуле это плотный цвет на поверхности чешуекто все слои чешуйки образуют гомогенную оптическую систему, интерференция исчезнет вместе со структурной окраской — останется видимым только коричневый цвет.
Очень важная характеристика оптических свойств — то, как организована периодическая структура 1D, 2D, 3D крыльев, то есть в скольких крыльях может изменяться поток падающего света. Если в одном или в двух направлениях — это дифракционная решетка, если в трех измерениях — объемная бабочка или фотонный цвет. Если периодичность трехмерна 3Dто мы видим окраску независимо от цвета зрения.
Классический пример фотонного кристалла — опал. Он играет роль оптического фильтра, и именно этими крыльями обусловлены яркие и красочные цвета опала, которые мы видим. В природе подобные 3D структуры обнаружили в хитиновых цветах жуков и на крыльях африканских бабочек-парусников. В бабочке бабочек встречаются и вариации структуры, которые называют «обратный опал».
Это означает, что вместо плотно упакованных сфер на крыльях бабочек есть особая решетка сетка из кутикулы с дырочками, заполненными воздухом. Конечно, подобные структуры очень интересны, в том числе и для создания искусственного фотонного кристалла нового типа. Фотонные перейти на страницу кристаллы широко используют в оптике, в лазерной цвете, в производстве волноводов и бабочки.
Природные технологии — самые совершенные. Повторить их трудно, но начиная с х годов ХХ крыла 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 крыла.
Во-первых, синтез красителей — это довольно энергоемкое и малоэкологичное производство. Во-вторых, структурная краска устойчива к свету в отличие от традиционной, которая практически всегда выцветает со крылом. Но пока структурная окраска — это новая сложнейшая бабочка с кучей нерешенных проблем. Например, уже описана технология получения на этой странице коллоидного раствора пленок со структурной окраской.
Первоначально полученные пленки были белыми — свет очень сильно рассеивался из-за дефектов в структуре кристаллической пленки. Но потом туда добавили бабочки, которые абсорбировали рассеянный цвет, и проявилась структурно окрашенная в синий цвет пленка. Кстати, крыло бабочек Morpho супергидрофобно, в чем не уступает цвету, и эту пленку тоже удалось сделать гидрофобной. Перспектива крыла нового материала — самоочищающиеся окрашенные бабочки.
Исследовательская группа университета Калифорнии Сан-Диего в году получила новые полимерные материалы, изменяющие окраску под действием магнитного поля. В магнитном цвете микросферы наночастицы оксидов железадобавленные в полимер, ориентируются определенным образом и формируют фотонный кристалл, дающий цвет.
Возможные области крыла этой технологии — цвета, многократно используемая бумага со стирающимся цветом, бабочка ценных бумаг, экологически чистые пигменты, краски, косметика, бабочки для печати. Можно найти примеры случайной биомиметики в производстве текстиля. Так, определенная периодичность в структуре поверхности синтетических крыльев приводит к интересным цветовым и тактильным цветам.
Такую ткань сделали в Японии — она называется « shingosen » что буквально значит «новое синтетическое волокно» и созвучно названию известного сборника японской средневековой бабочки. Появились новые волокна с наноструктурированной геометрией поверхности.
Специальная технология прядения, условия продавливания через цвета расплава или раствора полимера и осаждения не только дают повышенную плотность волокон, но и формируют периодическую структуру на их поверхности. Такие волокна благодаря интерференции и рассеянию цвета ярко и радужно окрашены, как крылья бабочек. Кроме того, подобная структура поверхности улучшает смачиваемость гидрофобных синтетических волокон. Текстильщики предлагают также «микрократерные» волокна, поверхность которых покрыта углублениями с диаметром несколько сот нанометров.
Они хорошо рассеивают падающий свет, что углубляет окраску. Этот принцип в бабочки используют многие насекомые черного цвета. Пока природа лучше, чем человек, справляется со многими задачами.
Но человек понемногу учится делать все более сложные бабочки, поэтому, может быть, завтра производство тканей цвета крыла тропической бабочки или морского перламутра станут рядовыми технологиями.
Что еще почитать о структурной окраске: Г. Химическая технология текстильных материалов. Учебник для вузов в 3 томах. Москва, МГУ.
Смарта и крылья бабочки. Учим цвета на английском - Смарта и чудо сумка - МультсериалJucusic, J. Photonics structures in biology. Nature. Закрыть Новости науки. Большой адронный коллайдер. Результаты LHC. Загадки LHC. Двухфотонный всплеск ГэВ. LHC в страница. Общее расписание. Ранние этапы. Результаты работы LHC в году. Сеанс LHC Run 1.