2007-03-08 00:00:00 來源：全球紡織網
自然界色彩繽紛、絢麗多彩，從藍天、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刺激的反映。即一定波長的可見光，產生一定的顏色反映，顏色只是人的一種視覺感覺。
產生或發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：例如火焰、閃電、極光以及碘等的顏色效應，其中部分屬高溫等離子體發射；
（2）電子配位場效應的躍遷：紅寶石、祖母綠、綠松石以及各種金屬絡合染料（或顏色）中的金屬絡合顏色效應都屬這類；
（3）電子在分子軌道問的躍遷：絕大數有機染料（或顏料）和一些無機物（藍寶石）的顏色效應屬這類；
（4）電子在能帶中的躍遷：有色金屬（金、銀、銅和鐵）、半導體以及色心（紫晶、煙水晶）的顏色效應屬這類；
（5）幾何和物理光學效應：色散折射、散射、幹涉和衍射顏色效應。
在這五種起因中，至少可進一步細分為十五種。
其中三種是物理作用，一種是化學作用，還有一種是和化學共同作用。
物理作用，產生顏色的方式包括光反射、折射和幹涉等三種，化學作用主要是染料和顏色料等色素與光的作用，而一些物質，例如寶石的顏色則是物理和化學共同作用的結果。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存在於Al2O3晶格中則呈現紅色。這是由於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共同作用的結果。
紡織品顯色（包括染色和其它方式著色）屬於光與大塊固體物質的相互作用。使紡織品產生顏色也有多種途徑，目前主要是通過施加有色物質（吸附染料或粘著上顏料）來產生顏色，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產生顏色及其對紡織品顏色的影響，特別所謂結構生色及其影響。當一束光與紡織品發生相互作用時，至少會發生如圖1所示的幾種作用方式。
圖1 可見光與纖維的作用方式
如圖l所示，光與紡織品的作用也是存在物理和化學作用，這些作用都可產生或影響顏色。物理作用包括（1）反射和漫射；（2）散射和透射；（3）折射或偏轉等化學作用則是對光的吸收。
1 、自然界的一些結構生色現象
物體顏色繽紛多彩。產生顏色是基於所含色素對光的吸收和對光的色散、散射、幹涉和衍射等作用。色素產生顏色是對光產生選擇吸收作用的結果，即選擇吸收後互補光的顏色；而由色散、散射、幹涉和衍射引起的是選擇反射產生的顏色，後者稱為結構色或組織色。這兩種方式產生的顏色，性能有顯著不同，有關選擇吸收產生的顏色，大家已很熟悉，因為通過染料染色，塗料著色產生的顏色就屬這種，本文不再重複。結構色和它有所不同，它不改變強度，結構色和它有所不同，它不改變光強度，結構色大致有以下幾種情況：（1）色彩豔麗，且隨方向強烈變化，色彩僅在直射光中看到，主要是由衍射光柵產生的顏色；（2）色彩豔麗，且隨方向適度變化，主要是由薄膜幹涉產生的顏色；（3）色彩較豔麗，且不隨方向而變化，主要由散射和色散產生的顏色。
色散產生顏色在普通物理學中都有介紹，這是牛頓使用一塊稜鏡觀察光譜時發現的，他解釋這是因為不同顏色光的折射率不同的關係，因而光通過稜鏡後可呈現紅、橙、黃、綠、藍、青、紫等色的光譜。這種色譜的分布決定於稜鏡的折射率和稜鏡頂角大小，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，所以是一種最典型的結構生色的例子，光通過稜鏡發生色散，光波長愈短，色散偏離角愈大，色散後可呈現一連續的彩虹顏色。
發生色散的物質很多，最常見的是空氣中的小水滴，在雨後或噴水池旁容易見到，這時太陽光線以一次內反射形式通過球形小水滴發生色散。事實上，光線在小水滴中發生二次內反射時，還可以看到二次彩虹。
寶石和一些其它材料，在反光時會發生色散，例如金剛石有極高的色散值，當金剛石旋轉時，有炫耀的彩色閃光出現。一些材料以細小顆粒施加到紡織品E也可以通過色散產生彩虹一樣的顏色。色散是結構生色最簡單的一種，自然界結構生色往往和色素生色同時出現。有關生物色素生色我們已有綜述文章發表。本文重點討論物體通過散射、幹涉和衍射產生的結構色。
（1）光散射產生結構色
波長愈短，散射愈強，1-300nm粒子發生瑞利散射（小於可是光波長），較大粒子發生米氏散射（等於或大於可見光波長）。
典型例子是鳥羽的散射生色。如圖2所示。可是光照射後，光散射局限於羽支上。在羽支的外層上有一層無色透明，厚度約為10um的角質，而在角質下面則是一層箱狀細胞或稱蜂窩狀細胞，在箱狀細胞下面又有含有黑色素的黑色細胞層。箱狀細胞含有大量無規則的氣囊，大小在30到300nto範圍，它對光有很強的散射能力。羽支對光發生瑞利散射後產生藍色。試驗發現，如果使氣囊充滿液體，例如將藍色羽毛在酒精中浸湮一定時間，使氣囊充滿酒精，則藍色會消失，看到的是呈黑色的黑色素，而當酒精蒸發後，又會發生散射顯露出藍色。如果用槌敲打羽毛以破壞散射結構，也會使藍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，藍色也會消失，然而在羽支背部塗上黑色，則又會使藍色恢復。
（2）光幹涉產生結構色
波長相同，傳播方向相近的兩束光會互相作用產生相長增強或相消刪除的作用，例如在薄膜光幹涉中，導致皂泡、水上油膜、雙摺散材料和一些動物顏色中產生彩虹色彩。這種光幹涉色彩的色調是純粹的，有金屬光澤和透明性，不能採用染色方法獲得，而且隨著觀察者的角度變化而改變顏色。對光幹涉產生顏色長期以來進行了大量研究，而且可以進行精確的測定和控制。
天然存在的幾種幹涉生色例子如下：
鳥類羽毛幹涉生色：鳥類存在幹涉產生顏色，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生散射，產生藍色或綠色等外，還會通過幹涉產生絢麗色彩，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構。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，因此對可見光會產生多重反射幹涉，產生顏色，不同蜂鳥產生的顏色也都不同。
圖3 一種蜂鳥羽翼小倒刺的表面結構 圖4 熱帶閃蝶照片
蝴蝶幹涉生色：昆蟲的幹涉色例子很多，最為典型的是蝴蝶的幹涉色。蝴蝶有非常美麗的彩色，重要起因是能夠呈現絢麗的幹涉色。圖4為某種蝴蝶的照片，在它的翅膀的薄片對光發生幹涉分不開。
由圖5A可看出，翅瓣鱗粉的結構很複雜，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，類似於多層的薄膜可對光發生幹涉作用，當入射光以相當窄的角度入射到這些平行排列的薄片將產生幹涉作用，並產生幹涉結構色。圖6為翼鱗粉表面平行薄片的幹涉作用示意圖。
自然界這種幹涉作用產生顏色的例子很多，還包括甲殼蟲外殼、魚鱗和眼睛、蛇皮以及一些礦石的幹涉生色。
（3）光衍射產生結構色
光衍射產生結耕色取決於物體各層間的距離，並隨觀察角度而改變顏色，最典型的例子是液晶生色。
結構生色的現象很多，它的顏色和色素生色有很大不同。它特別明亮，顏色鮮豔，而且往往隨觀察角度而不同。這是一種無汙染的生色途徑。