公園裡的三五個小孩，一手拿著泡泡液，一手揚著沾了泡泡液的塑料圈，輕輕一吹，便吹出了一串串彩色的肥皂泡。有個小孩抬頭看了看天上一直變幻著色彩的泡泡，又低頭看了看手裡透明的肥皂液，忍不住向小夥伴發問——
「泡泡的顏色，是從哪兒來的？」
「我也不知道，大概是泡泡有魔法？」
呈現出五顏六色的肥皂泡 | Pixabay
那個發問的小孩就是我，而多年以後我才明白，組成這個萬千世界的顏色有兩類，一類是色素色，一類是結構色。
什麼叫做結構色
比起結構色，我們更為熟悉的是那些來自色素的顏色，這些色素可以是天然的，也可能是人工合成的。
青菜、茼蒿、西蘭花
這些蔬菜的綠色大多來自於天然葉綠素
番茄、西瓜、木瓜
它們會含有較多紅色的番茄紅素
甜菜、枸杞、紅心火龍果
它們的紅色，則來自於天然的甜菜紅素
藍莓、西梅、黑加侖
紫色的蔬果往往富含著花青素
彩色巧克力豆外表那層鮮豔的脆皮
它們的顏色則來自人工合成的食用色素
添加了色素的多彩巧克力豆 | Pixabay
這類顏色的出現，是由於物品中含有色素，而色素的化學結構能夠吸收特定波長的光、把剩餘的可見光反射到人眼中，而形成我們看到的顏色，屬於色素色。
葉綠素和食用色素日落黃的化學結構 | 作者繪製
那些不含色素、看起來透明卻也能產生顏色的物體，則是一定是通過特殊的微觀結構形成了結構色。生活中常見的比如吹出來的彩色泡泡，CD的背面；自然界中的不少動物們也擁有結構色，有如蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛。
幾乎所有蝴蝶都有結構色 | Pixabay
孔雀的羽毛也有著結構色 | Pixabay
彩色泡泡的奧秘
每種結構色都有著不太相同的形成原理，而肥皂泡泡呈現彩色，原因就藏在它一層薄薄的膜裡。
由於肥皂泡的薄膜有厚度，當自然光照射到薄膜上，它會經薄膜的上、下兩個表面，分別反射出多條頻率相同、振動方向相同，但是存在恆定相位差的光線。
光線在肥皂泡膜的反射原理 | 作者繪製
當我們人眼接收到反射出的光線，就看到了顏色。但為什麼經過這番折騰，反射出的不是和自然光一樣的白光，而是彩色的光呢？這就需要拆解一下自然光。自然光在經過肥皂泡薄膜的反射時，會產生不同波長的色光，比如波長較長的紅光、波長較短的藍光等等。
自然光與三稜鏡的經典實驗 | Wikipedia
當自然光在薄膜的上、下表面分別發生反射，會產生多條反射光。多條反射光的波形，可能重合也可能交錯。這是因為反射光之間存在著相位差，加上薄膜的厚度不確定，波形不一定能重合。
反射光的波形不一定能重合 | 作者繪製
同一色光的反射光，若波形重合，對應的顏色就會增強；若波形交錯，顏色就會減弱。圖示中的情況，是紅光波形發生重合，因而紅色會更明顯；藍光的波形產生交錯，因此最終呈現的藍色會很淡。
在實際情況中，肥皂泡薄膜由於重力等原因，厚度並不均一，因此同一色光的波形是重合還是交錯，非常隨機。赤橙黃綠青藍紫，每種色光都可能因為波形重合而被加強，繼而在泡泡上呈現出來——這也就是我們能在泡泡上看到各類顏色變幻多樣的原因。在光線照射下，肥皂泡薄膜產生多樣的結構色的現象，就被稱為單層薄膜幹涉。
赤橙黃綠青藍紫的肥皂泡膜 | Pixabay
其實這種由薄膜結構產生的顏色並不罕見。當你在廚房刷洗著油乎乎的鍋碗瓢盆，油在水池裡鋪成薄薄的油膜時，也會出現漂亮的色彩。它和肥皂泡的色彩同出一轍，只是少有人會稱讚廚房油汙的美貌罷了。
在大自然，有些昆蟲的翅膀就是一層厚度不等的透明薄膜，在陽光下撲稜時，翅膀便能干涉出多種顏色，比如蜻蜓，在陽光下翅膀就可以呈現出的豐富結構色。
近距離觀察蜻蜓的翅膀 | Pixabay
雙層薄膜，多倍色彩
當把兩種薄膜貼在一起時，情況就更複雜了。由於兩種薄膜對光的折射能力不同，光線經過它們時相當於連續發生了兩次單層薄膜幹涉。
雙層薄膜幹涉會反射出更多的平行光線 | 作者繪製
生長在陰暗低光環境的翠雲草（Selaginella uncinata）就有著這樣的雙層薄膜結構。這一結構存在於葉片上層表皮的外側細胞壁內，促使葉片發出藍紫色或是藍綠色光澤，而這種光澤被認為有助於提高植物的光合作用效率。
翠雲草的藍暈色 | Wikipedia, David J. Stang / CC BY-SA
多重維度，堆疊幻色
如果把雙層薄膜看作是兩種不同材質上下交錯堆疊的話，那麼二維光子晶體就是堆著一摞不同材質的棍子，不僅上下交錯，左右也有變化。二維光子晶體的出現，讓綠頭鴨（Anas platyrhynchos）的頸部羽毛除了有著濃豔藍綠色，更泛著金屬般的光澤。
（生活總要帶點綠的）綠頭鴨 | Pixabay
2015年，比爾肯大學的圖拉爾·胡季耶夫茨（Tural Khudiyev）等人在《科學報告》上揭開了綠頭鴨這一羽色的奧秘。當研究者把綠頭鴨頸部羽毛放置到光學顯微鏡下查看，發現入射光角度較小時呈現綠色，而角度變大後呈現藍色。這種隨著光線入射角度變化而變化的顏色，便是典型的結構色特徵之一。
綠頭鴨頸部羽毛在光學顯微鏡下的色彩 | 參考文獻[3]
在放大倍數更大的電子顯微鏡下，觀察羽毛局部的縱截面和橫截面時，可以看到角蛋白包裹著一根根排列整齊的小棍子，形成二維光子晶體。它們的性質、排列間距等 ，都會影響羽毛最終呈現的顏色。
羽毛局部的縱截面、橫截面和結構示意圖 | 參考文獻[3]
那麼維度再上升一檔，三維光子晶體是什麼樣的呢？大概就像在微觀世界玩海洋球了——對光有著不同折射能力的晶體，可以堆疊成三維的結構，在上下、左右、前後三個維度自由地排布，通過幹涉產生更多樣的色彩。
2015年《自然·通訊》就曾報導豹變色龍（Furcifer pardalis）表皮橫截面的微觀結構。來自日內瓦大學的熱雷米·泰西耶（Jérémie Teyssier）等人發現，雄性豹變色龍表皮的兩種虹彩細胞中，緊密地排列著納米級的鳥嘌呤晶體，形成了三維光子晶體。
豹變色龍表皮橫截面（c），鳥嘌呤晶體（d/e中白色部分）在兩種虹彩細胞中的不同排布模式 |
變色龍受到刺激後，這些晶體的排布間隔會改變，從而影響皮膚對光的折射能力，最終呈現出變色效果。
變色龍也具有結構色 | Pixabay
結構生色？用起來
這些結構色的研究也激發了科學家們的腦洞創新：如果利用光學結構生色，是不是染色、列印的時候都不用色素了？
在2020年6月，來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的比拉爾·帕特爾（Bijal B. Patel）等人以結構生色的原理，研發出了一款可呈現多種顏色的3D列印墨水。
用上新奇墨水，期待形成更多有趣設計 | Pixabay
這款墨水採用的材料是特殊的嵌段共聚物，你可以把它想像成重複出現A和B結構的分子，形成了以ABABAB形式排列的化合物。等列印出來後，墨水裡的溶劑慢慢蒸發，共聚物發生微觀相分離，也就是分子中的A和B片段會出現空間分離：A和A抱團、B和B在一起。如此一來，可以形成周期性的空間排布，在光線照射下，就能輕鬆產生結構色。
墨水溶劑蒸發後的微觀結構 |
於是，通過控制列印的速度和溫度，我們可以使用同一墨水呈現出從紅到藍的豐富顏色變化。
列印速度&溫度與顏色的關係 |
傳統的繪畫中，畫師需要通過更改三原色的比例來調色；而我們用這種墨水進行列印時，只需要比照著色卡，調節列印的速度和溫度，就能作出彩色畫了。
五彩斑斕的黑也有希望了不是？| Pixabay
想像一下，當結構生色的技術能大量運用於服裝工業時，你還愁一款衣服不知道買哪個配色嗎？
說不定到手的衣服，在陽光晴好的日子裡是黃色，在陰雨綿綿時會變成藍色，走進昏暗的室內後還能再變一種色。更棒的是，這種因微觀結構而產生的顏色，怎麼洗都不會掉色。