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科学|不加色素做出彩虹色的巧克力，科学家浪漫起来也太硬核了

出品：科普中国
制作：李瑞（大阪大学）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
说到巧克力的颜色 ， 除了巧克力色 ， 就是一些色素调制的简单彩色 。 但近日 ， 瑞士苏黎世理工大学的科研人员开发了一种使巧克力具有光泽色彩的方法 ， 整个过程中不需要添加任何着色剂或添加剂 。 并且 ， 在不同的角度观察到的巧克力 ， 颜色还会发生变化 。
科学|不加色素做出彩虹色的巧克力，科学家浪漫起来也太硬核了
△作者：Giulia Marthaler/ETH Zurich
这一制作工艺的灵感就来源于生活 ， 比如 ， 从不同角度看开屏孔雀的羽毛 ， 看到的颜色也会发生变化 。
色彩鲜艳的巧克力 ， 鲜艳的孔雀羽毛 ， 它们呈现的颜色并不是直接由色素决定 ， 而是与它们表面的微观结构有关 。 这种由结构特点形成的颜色叫做结构色 ， 是世界丰富色彩的重要组成部分 。
那么 ， 什么是结构色 ， 它有着怎样的特点 ， 科学家们又是如何利用它做出虹彩巧克力的呢？
自然界的虹彩们基本都属于“结构色”
当照射于物体表面的可见光发生反射进入人眼 ， 就会在人脑中形成颜色 。 具体形成怎样的颜色 ， 主要由反射光的波长所决定 ， 例如植物主要吸收红光蓝光而反射绿色光 ， 因此才会形成苍翠欲滴的绿色 。
日常生活中的各种物体 ， 除了植物一类本身具有特定的颜色 ， 还可以通过形形色色的染料来获得多变的色彩 。 染料有很多种形式 ， 镀层、色素、涂料等等 ， 但归根结底 ， 染料所能呈现的颜色 ， 与染料中含有的着色颗粒对特定波长光的反射有关 。
【科学|不加色素做出彩虹色的巧克力，科学家浪漫起来也太硬核了】在古代 ， 人类基本没有利用化学工业手段合成人工染料的能力 ， 着色需求完全依赖于天然染料 。 而生物界中也确实不乏着色高手 ， 紫胶虫和胭脂虫就是其中的佼佼者 。 人类数千年历史中相当长的一段时间内 ， 它们都是红色系染料的重要来源 。
不过 ， 自然界中还有一些将色彩运用到极致的“大师”们 ， 紫胶虫之流在它们面前完全就是弟弟 。 除了孔雀开屏时的雍容华美 ， 还有穿花时的奇幻多姿 ， 螺钿与珍珠的交相辉映……这些大师们的杰作 ， 甚至可以不依赖染料 ， 而仅仅只靠身体表面的特殊结构 ， 就“天然”地呈现出流光溢彩的效果 。 这种不依赖于染料 ， 而仅仅凭借微观结构就能呈现颜色的现象就是“结构色” 。
科学|不加色素做出彩虹色的巧克力，科学家浪漫起来也太硬核了
△自然界中的各种结构色
光的物语——结构色的奥秘
结构色能够呈现千变万化的颜色 ， 自然是因为它可以反射各种波长的光线 ， 从而形成虹彩 。 但是与普通的色彩相比 ， 因为不依赖于染料 ， 结构色的色彩不会因时间的流逝而消失 ， 能够长期保持鲜艳的色泽 ， 例如古代的螺钿工艺品即便拥有几百年的历史仍然熠熠生辉 。
此外 ， 结构色在不同的观察角度下 ， 虹彩的色泽还会发生变化 ， 这又是因为什么原因呢？
结构色的表面 ， 存在若干规整排列的微细纳米构造 。 由于这些构造本身的尺度大约是数十到数百纳米 ， 与可见光的波长处于同一级别 ， 因此当光线入射到构造色表面时 ， 就会发生明显的干涉现象 。
科学|不加色素做出彩虹色的巧克力，科学家浪漫起来也太硬核了
△蓝闪蝶翅膀表面的纳米沟槽（上） ， 人造虹彩材料（下） ， 来源：参考文献2
所谓干涉是指光线在物体表面发生反射时 ， 发生的特定波长的光加强或者减弱的现象 。 具体增强和减弱的幅度与膜厚、入射光波长以及入射角等因素有关 。 虽然听起来好像有点复杂 ， 但结合实例来看就会比较好理解了 。
虹彩巧克力就属于结构色的一种应用 ， 比如某一瞬间当我们看到虹彩巧克力表面呈现蓝色光泽 ， 这就说明此时得到干涉加强的是蓝色光 。 当你转换观察角度 ， 或者将这颗巧克力稍作旋转（入射角发生了细微的变化） ， 可能就会呈现绿色光泽 ， 此时得到加强的就是绿色光 。 当然 ， 一般情况下 ， 同一时刻巧克力表面将有不同波长的光线同时在若干区域得到加强 ， 于是就会呈现出绚丽的虹彩 。
科学|不加色素做出彩虹色的巧克力，科学家浪漫起来也太硬核了
△作者：Giulia Marthaler/ETH Zurich
殊途同归的结构色
从自然界中的实例来看 ， 能够形成结构色效果的纳米结构种类非常丰富 。 首先是单层纳米薄膜 ， 五颜六色的肥皂泡就是由单层薄膜形成 ， 光线在薄膜的上下表面分别发生反射 ， 随即出现干涉效果 。
除了单层 ， 多层薄膜结构同样有效 ， 贝壳和甲虫呈现的绚丽光泽分别来自于碳酸钙和几丁质的层叠构造 ， 热带鱼类身上常有的亮银色装饰条带则是由皮肤表层细胞质中鸟嘌呤结晶形成的多层构造反射而来 。
以及CD碟片和虹彩巧克力等人工制品的结构色主要依靠表面的纳米级沟槽形成 。 这些沟槽的深度大约在数十到数百纳米间 ， 相互间隔也在类似量级 。 光线入射时 ， 射到沟槽顶部和底部的光线间就将产生光程差 ， 从而满足发生干涉的条件（具体解析可以参考高中物理课本） 。


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