說到巧克力的顏色，除了巧克力色，就是一些色素調製的簡單彩色。但近日，瑞士蘇黎世理工大學的科研人員開發了一種使巧克力具有光澤色彩的方法，整個過程中不需要添加任何著色劑或添加劑。並且，在不同的角度觀察到的巧克力，顏色還會發生變化。
這一製作工藝的靈感就來源於生活，比如，從不同角度看開屏孔雀的羽毛，看到的顏色也會發生變化。
色彩鮮豔的巧克力，鮮豔的孔雀羽毛，它們呈現的顏色並不是直接由色素決定，而是與它們表面的微觀結構有關。這種由結構特點形成的顏色叫做結構色，是世界豐富色彩的重要組成部分。
那麼，什麼是結構色，它有著怎樣的特點，科學家們又是如何利用它做出虹彩巧克力的呢？
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當照射於物體表面的可見光發生反射進入人眼，就會在人腦中形成顏色。具體形成怎樣的顏色，主要由反射光的波長所決定，例如植物主要吸收紅光藍光而反射綠色光，因此才會形成蒼翠欲滴的綠色。
日常生活中的各種物體，除了植物一類本身具有特定顏色的例子，還可以通過形形色色的染料來獲得多變的色彩。染料有很多種形式，鍍層、色素、塗料等等，但歸根結底，染料所能呈現的顏色，與染料中含有的著色顆粒對特定波長光的反射有關。
在古代，人類基本沒有利用化學工業手段合成人工染料的能力，著色需求完全依賴於天然染料。而生物界中也確實不乏著色高手，紫膠蟲和胭脂蟲就是其中的佼佼者。人類數千年歷史中相當長的一段時間內，它們都是紅色系染料的重要來源。
不過，自然界中還有一些將色彩運用到極致的「大師」們，紫膠蟲之流在它們面前完全就是弟弟。除了孔雀開屏時的雍容華美，還有蛺蝶穿花時的奇幻多姿，螺鈿與珍珠的交相輝映……這些大師們的傑作，甚至可以不依賴染料，而僅僅只靠身體表面的特殊結構，就「天然」地呈現出流光溢彩的效果。這種不依賴於染料，而僅僅憑藉微觀結構就能呈現顏色的現象就是「結構色」。
結構色能夠呈現千變萬化的顏色，自然是因為它可以反射各種波長的光線，從而形成虹彩。但是與普通的色彩相比，因為不依賴於染料，結構色的色彩不會因時間的流逝而消失，能夠長期保持鮮豔的色澤，例如古代的螺鈿工藝品即便擁有幾百年的歷史仍然熠熠生輝。
此外，結構色在不同的觀察角度下，虹彩的色澤還會發生變化，這又是因為什麼原因呢？
結構色的表面，存在若干規整排列的微細納米構造。由於這些構造本身的尺度大約是數十到數百納米，與可見光的波長處於同一級別，因此當光線入射到構造色表面時，就會發生明顯的幹涉現象。
藍閃蝶翅膀表面的納米溝槽（上），人造虹彩材料（下）（圖片來源：參考文獻2）
所謂幹涉是指光線在物體表面發生反射時，發生的特定波長的光加強或者減弱的現象。具體增強和減弱的幅度與膜厚、入射光波長以及入射角等因素有關。雖然聽起來好像有點複雜，但結合實例來看就會比較好理解了。
虹彩巧克力就屬於結構色的一種應用，比如某一瞬間當我們看到虹彩巧克力表面呈現藍色光澤，這就說明此時得到幹涉加強的是藍色光。當你轉換觀察角度，或者將這顆巧克力稍作旋轉（入射角發生了細微的變化），可能就會呈現綠色光澤，此時得到加強的就是綠色光。當然，一般情況下，同一時刻巧克力表面將有不同波長的光線同時在若干區域得到加強，於是就會呈現出絢麗的虹彩。
從自然界中的實例來看，能夠形成結構色效果的納米結構種類非常豐富。首先是單層納米薄膜，五顏六色的肥皂泡就是由單層薄膜形成，光線在薄膜的上下表面分別發生反射，隨即出現幹涉效果。
除了單層，多層薄膜結構同樣有效，貝殼和甲蟲呈現的絢麗光澤分別來自於碳酸鈣和幾丁質的層疊構造，熱帶魚類身上常有的亮銀色裝飾條帶則是由皮膚表層細胞質中鳥嘌呤結晶形成的多層構造反射而來。
蛺蝶以及CD碟片和虹彩巧克力等人工製品的結構色主要依靠表面的納米級溝槽形成。這些溝槽的深度大約在數十到數百納米間，相互間隔也在類似量級。光線入射時，射到溝槽頂部和底部的光線間就將產生光程差，從而滿足發生幹涉的條件（具體解析可以參考高中物理課本）。
除了薄膜和溝槽，密集的球狀結構同樣有類似的效果。例如歐泊中含有無數密集排列的納米級矽酸鹽晶體，它們對光線的幹涉就形成了寶石的美麗色澤。人工光子晶體依據的原理也與之相似，晶體內部無數的細微子晶最終在宏觀上表現出對光線的區別反射，形成五彩斑斕的外觀。
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通過上面的原理介紹，我們明白了虹彩巧克力色彩的秘訣在於它表面細微的納米級溝槽。雖然聽起來很高大上，但其實我們在生活中也能做到，只需要一片貼哪哪閃亮的全息虹彩魔術貼，就能解決納米溝槽的問題。
全息貼紙恐怕是人類對結構光現象最成功的直接應用了，它的原理非常簡單，常見的全息貼紙一般由三層薄膜構成，從表面向下，分別是樹脂保護層、納米溝槽加工層和粘膠層。作為核心的納米溝槽加工層通常是用易於加工出納米溝槽的高反射率材料製成，比如鋁箔。在鋁箔表面挖出溝槽的具體方式也有很多種，雷射和電子束都可以在很短的時間內繪出高精度納米溝槽。當然，這肯定無法在家操作了。
全息貼紙有很多種類，不少應用在防偽領域的全息貼紙同時還結合了全息影像技術，具有極高的印刷精度，令偽造變得非常困難，也因此廣泛地出現在貨幣、信用卡和貴重商品的包裝上。我們製造虹彩巧克力時用不著使用這麼高檔的全息貼紙，小朋友們的玩具就足以提供豐富的圖案供我們選擇。
首先，我們需要將圖案表面的保護膜剝離出來，再將其作為模具給巧克力轉印圖案。直接撕下保護膜顯然不是好辦法，撕取過程中，纖細的溝槽結構會遭到破壞，印製出的圖案效果也將大打折扣。我們的解決方案是先把保護膜表面用膠水固定在玻璃板上，再用氫氧化鈉溶液（務必戴好防護手套和護目鏡）將背面的膠層和鋁膜同時溶解，成功後就能得到帶有圖案的磨具（示意圖中的樹脂層）。吹乾磨具表面水分後，如果能看到全息貼紙圖案，就證明這一步取得了成功。
之後，我們再將購買好的巧克力融化在燒杯中，溫度約50攝氏度即可，溫度過高過低都會影響巧克力填充磨具的效果。你可以根據自己的喜好調整顏色和口味，不過不推薦白巧克力和添加果仁。前者的顏色會讓虹彩圖案難以辨別，而果仁則會造成表面不光滑以及磨具填充度變差等後果。最後，將化好的巧克力漿冷卻到30度上下（粘度接近於花生醬），再鋪展到模具表面，冷卻後小心除去模具，再將邊緣形狀精修一下即可。一切順利的話，全息貼紙上的圖案將會轉印在巧克力表面，虹彩巧克力正式大功告成。
由蘇黎世理工創辦的企業製作的虹彩巧克力模以及成品（圖片來源：參考文獻3）
雖然精緻程度趕不上工廠專業製作，但這份自製的虹彩巧克力，作為節日禮物，也不失為一種好的選擇。這麼看來，結構色在我們的生活中還真的是應用廣泛呢。
參考文獻：
【1】https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/researchers-create-shiny-rainbows-of-nanotech-chocolate?utm_source=feedburner
【2】https://www.eudonev.com/portfolio/structural-color/
【3】http://www.morphotonix.com/chocolate
【4】https://www.youtube.com/watch?v=UsDnkrDvkBo&app=desktop
本文由科普中國融合創作出品，大阪大學李瑞製作，中國科學院計算機網絡信息中心監製，「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。