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Hunyuan-lite

发现一个有趣的的现象：提到结构色，就会提到蓝色。可能是因为蓝色的结构色非常常见（蓝色天空），又非常特殊（生物界中的蓝色）。本文以结构色为线索，探索身边中的蓝色。别分心，考试 ^[1] 会考哦！

色素色与结构色

色素色又称为化学色，是由于虫体或者植物一定部位有某些化合物的存在造成的，这些物质吸收某种长光波，而反射其他光波形成各种颜色。例如：叶绿素、内胡萝卜素、黑色素等等。色素色比较稳定，并且不会随着视角变化而变化。

结构色又称为物理色，是物质在微观下的精细结构，使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的各种颜色。从不同的角度可以看到不一样的光泽及色彩效果。例如肥皂泡的彩色光泽、光碟的彩色光环以及昆虫翅膀的彩色现象。

结构色的产生原理：

薄膜的干涉效应：入射光波经过反射和透射进行相干叠加，使得在某些波长区间得到加强，如果加强的波长区间在可见光波长范围内，该区间就能显现出该波长的颜色。
散射：光束通过光学性质不均匀的介质时，光线向四面八方传播的现象。介质辐射次波、非相干叠加而形成。常见散射可以分为瑞利散射、米氏散射以及拉曼散射。
周期性结构。光子晶体、衍射光栅的衍射，周期结构的衍射现象形成的特定波长的可见光颜色，例如孔雀羽毛的微小周期性排列结构、以及变色龙的表面肤色变化。变色龙可通过改变晶体纳米颗粒之间的间距来改变颜色，间距越大，衍射后反射的波长越长（由绿色变为黄色）。

发生在肥皂泡中的干涉

结构色案例：肥皂泡闪闪发光的颜色。当光线照射到肥皂泡表面的时候：

一部分光在肥皂泡外侧从空气到肥皂泡的过渡处得到反射。
当光线穿透肥皂泡时，一部分光在肥皂泡内侧从泡壁向内部空气的过渡处形成反射。这部分光传播得更远，现在落后于之前反射的光。
这两部分光重叠在一起，但相互之间略有偏移。对于某些波长的光来说，波峰与另一处波峰发生叠加，颜色得到强化。对于其他波长来说，波峰与另一处波谷相遇，相互抵消，导致颜色消失。这种现象称为干涉。

这些因干涉而产生的色彩被称为干涉色。比如油膜浮在水上产生的色彩。

另一种结构色的产生机理是光在多层薄膜中发生干涉：

天空中的蓝色

散射是光束通过光学性质不均匀的介质时，光线向四面八方传播的现象，是介质辐射次波、非相干叠加而形成。根据散射是否与波长有关，可以划分为两种类型：

散射与波长有关：瑞利散射、拉曼散射。
散射和波长无关：米氏散射。

自然界中的散射现象：

地球外围大气层对阳光的散射使天空更明亮；
纯净大气层的散射使天空呈现蔚蓝色；
较长路程的散射使旭日或夕阳呈现红色；
含有较大水滴的云雾的散射光呈白色。

瑞利散射

散射波长与入射波长相同；散射光强与波长的四次方成反比；散射光强按空间方向成哑铃形角分布。

大气中氮分子和氧分子对短波长的蓝光和紫光散射作用更强，以至于那些以白光形式离开太阳的光线，其蓝色成分在抵达我们时已所剩无几，所以我们看到的太阳才是黄色的。天空对于我们来说是蓝色的，是因为蓝光在大气之中中分散，从各个方向抵达我们。

「丢失的光」

世界的边缘和深处都是蓝的。这种蓝是丢失的光。光谱蓝色端的光不会在从太阳到我们的距离中完整地传播。它分散在空气分子中，分散在水中。水是无色的，浅水的颜色似乎是水下任何东西的颜色，但深水充满了这种散射光，水越纯净，蓝色就越深。出于同样的原因，天空是蓝色的，但是地平线处的蓝，那似乎要融入天空的大地的蓝，是一种更深沉、更梦幻、更忧郁的蓝，是你所看到的最远地方的蓝，是能见度高达数英里时的蓝，是远方的蓝。这种光无法触及我们，无法完整地从太阳来到地球，这种失落的光给我们带来了世界的美丽，而这个世界大部分也都是蓝色的。
——《迷失指南》远方的蓝，〔美〕丽贝卡·索尔尼特

米氏散射

散射后看不出具体颜色，仅仅是黑白灰（反映光强大小）。是大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。这种散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米氏散射的散射强度与频率的二次方成正比，并且散射在光线向前方向比向后方向更强，方向性比较明显。

当空气污染后，空气中的颗粒而倾向于发生米氏散射，此时与蔚蓝色相叠加，从而天空呈现出浅蓝色。在正午时光线走的路程比较短，在黄昏或者落日时光线走的距离长，从而使得蓝紫色的光散射到大气层外，天空呈现出红色。当空气中有较大的水滴或者云雾时，发生的是米氏散射，使得天空呈现出灰色，并且当水滴比较大的时候还会吸收光。

受此启发，我们可以把牛奶滴进一杯水中，然后用手电筒照射。牛奶就会在水中形成小小的脂肪颗粒，使手电筒的光线偏转。蓝光比红光更容易散射。这种现象在一些著作中有一个名字，叫做「混浊介质蓝」。

蓝莓表皮结构色

蓝色的水果几乎只有一种：蓝莓。蓝莓的果肉是白色的、蓝莓汁是紫红色的，蓝莓中只含有红/紫色调的花青素，没有任何蓝色的物质。

蓝莓里的花青素不是蓝莓呈现蓝色的原因

将蓝莓果皮榨汁提取色素，并滴入到不同 pH 值的溶液中会呈现不同的颜色：酸性液体呈现粉色、中性液体呈现紫色，碱性液体呈现蓝色。

蓝莓本身是酸性的。蓝莓中的色素主要呈现红色和紫色，没有蓝色。

蓝莓表明上有一层果蜡，凡是有果蜡的地方，蓝莓都会透着一种哑光蓝。用油溶解掉果蜡之后，蓝莓表皮呈现黑色，而浸泡过蓝莓的油并不呈现蓝色。下图为蓝莓表皮在不同放大倍数下的电镜图像：

可以看出，蓝莓果蜡表面确实有和光的波长相当的纳米结构（300nm 左右）。蓝莓果蜡的纳米空心小管在可见光波段（380nm-760nm）中，对蓝紫光（380nm-760nm）的反射率最高。下图是各个品种蓝莓果蜡的纳米空心小管对不同波长光的反射率图 ^[2]：

蓝莓进化出结构色蓝色的原因

鸟眼中有四种视锥细胞，能感受紫外线。蓝莓果实除了散射蓝光，还会散射紫外线，因此会吸引鸟类帮助自身繁衍。

能反射蓝光的化学色素，需要依靠大分子实现低能量光子吸收，这类分子结构庞大、生物合成成本与能耗极高。^[2:1] 因此对于蓝莓来说，生成结构色的生物成本较低。

动物中的蓝色几乎都是结构色

迄今为止（1995 年），科学界从未报道过能储存蓝色化学色素的色素细胞。以往动物体表呈现蓝色，几乎全部归因于虹彩细胞，该细胞内堆叠大量扁平、可反光的嘌呤晶体。晶体堆叠产生多层薄膜干涉，是反射短波蓝光、形成蓝色的核心来源 ^[3]。

蓝色的动物	产生色彩的原因	配图
电光蓝捕鸟蛛（2023，泰国）	绒毛的纳米结构可以对体表光线的吸收和反射进行调节，形成了标志性的亮蓝色。这些绒毛在光线发生变化时，可能还会带有紫色调，表现出绚丽的虹彩效果。
宝石蓝龙虾（2024，英国）	龙虾常见体色为青灰色，由蓝色、黄色、红色和绿色混合而成。而蓝色龙虾的出现是因为缺少了其他三种色素。
爪哇机甲大土蜂（Megascolia procer javanensis）	翅膀上蓝绿色的光芒，是由于翅膀表面一层 300 纳米厚的涂层。
孔雀	罗伯特·胡克在观察孔雀羽毛时，发现了现在被称为结构色，他称这种颜色为「幻想的色彩」。孔雀羽毛的结构颜色来源于羽毛内部的光子晶体结构。
大蓝闪蝶	翅膀上的蓝色，是多种涂层的结果，是翅膀正面长出的类似光栅的结构，它翅膀本质是棕色的。
青线笠螺	贝壳中的透明碳酸钙晶体层排列成多个微小的薄片，每一片衍射并反射一线光。根据每一层的厚度和光的波长，光波衍射相长或相消。利用合适的的层厚（100 纳米），贝壳的微结构只保留了蓝色，其余所有波长都通过干涉相互消除了。

在大蓝闪蝶的翅膀上，光线在小圣诞树似的「脊」上发生了干涉作用：

青线笠螺贝壳上的微结构：

蛋白石中的结构色

蛋白石，别名欧泊，是二氧化硅的水合物，化学成分为 $SiO_2·nH_2O$ ，是非晶质结构，所以无一定的外形，断口为贝壳状，主要是含水二氧化硅的胶体沉淀形成的。

蛋白石中有微小的二氧化硅小球体，就像一些微小的玻璃珠。这些微小的用同一种材料构成的小球体不是紧紧地排列在一起，而是生长出了一个支架，包围了球形的空腔。在这种情况下，这些小球体由空气组成，形成了一种「反蛋白石结构」的光子晶体。

变彩欧泊会因二氧化硅球体的尺寸略大于可见光的波长或半波长时，使白光产生衍射和干涉才表现出从紫到红的全光谱色或较单调的某些光谱色，当观看角度不同而显示颜色也会出现闪光（虹彩），它的虹彩由其结构（极小的二氧化硅球体规律的排列）绕射光线造成的，圆球越大，颜色范围也越宽，所以变彩欧泊有若干种不同颜色。

人眼中的蓝色

全世界约 8% 的人口有蓝色眼睛，主要是北欧民族血统的人，如冰岛人、芬兰人和拉脱维亚人约 80% 以上是蓝色眼睛。有北欧民族血统的混血儿也会有蓝色眼睛。

拥有蓝色眼睛的名人

泰勒·斯威夫特，英国演员丹尼尔·雷德克里夫（哈利波特扮演者）

让眼睛呈现出不同颜色的部位是虹膜（不是瞳孔）。眼睛的颜色，主要取决于眼睛虹膜中黑色素的多少。所有人类的虹膜后部，也就是色素层部分都含有黑色素。在那里，光线被吸收，因此光线只能通过瞳孔进入眼睛。但是在色素层的前面还有一层更广阔的东西，那就是基质。基质层的黑色素含量决定了眼睛的颜色，含量越多，虹膜颜色越深，反之越浅。基质中含有大量黑色素的人的眼睛呈现棕色，而蓝眼睛的人基质层几乎没有黑色素。

当较长波长的红色光波穿过基质时。首先被后面色素层吸收，较短波长的蓝光则更多地偏转，有一部分蓝光被散射和反射，再次离开眼睛。

本质上，这与天空呈现蓝色的原理相同（瑞利散射），只是在眼睛里，散射光的粒子比空气中的分子大得多。

后记

这应该是我第一次尝试「解剖」科普著作和科普视频，这种方式和以往的将科普内容泛泛看过有很大的不同。以前看见科普视频后面放参考资料时还会差异，会有读者去考究吗？现在来看，答案显然。

在解剖的过程中，我能在梳理知识脉络的同时，了解作品的行文结构，揣摩作者的行文思路。这对我以后的创造有所启示。此外，它也是拓展兴趣的桥梁，向自己不熟悉、不敢兴趣的领域迈出步伐。

本文参考

2026 年国考《行测》（副省），题 29。 ↩︎
Rox Middleton et al. ,Self-assembled, disordered structural color from fruit wax bloom.Sci. Adv.10,eadk4219(2024).DOI:10.1126/sciadv.adk4219 ↩︎ ↩︎
Goda M, Fujii R. Blue chromatophores in two species of callionymid fish[J]. Zoological science, 1995, 12(6): 811-813. ↩︎

蓝色的结构色