科普：生物光子晶體對(duì)不同波長(zhǎng)的光有選擇性過(guò)濾嗎？愛(ài)

生物光子晶體由生物體內(nèi)周期性排列的納米結(jié)構(gòu)（如蛋白質(zhì)、幾丁質(zhì)等）構(gòu)成。這些結(jié)構(gòu)單元的大小、形狀和間距（晶格常數(shù)）通常在數(shù)百納米尺度，恰好與可見(jiàn)光波長(zhǎng)（約400-700納米）相當(dāng)。這種有序排列會(huì)引發(fā)光的布拉格衍射或相干散射，形成關(guān)鍵的光學(xué)特性——光子帶隙。

*選擇性反射：當(dāng)光照射到光子晶體上時(shí)，特定波長(zhǎng)（顏色）的光因其波長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)周期相匹配，會(huì)受到強(qiáng)烈反射，呈現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色。例如，孔雀羽毛的虹彩、閃蝶翅膀的藍(lán)色以及某些甲蟲(chóng)外殼的金屬光澤，都源于此。

*選擇性抑制：處于光子帶隙范圍內(nèi)的其他波長(zhǎng)光則無(wú)法在該結(jié)構(gòu)中有效傳播，會(huì)被抑制或透射出去。這就如同一個(gè)精密的“光學(xué)篩子”，只允許特定波長(zhǎng)的光被“篩”出來(lái)（反射），其余則被“過(guò)濾”掉。

生物通過(guò)精妙調(diào)控光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光譜的精準(zhǔn)操控：

1.晶格常數(shù)：結(jié)構(gòu)單元間距是最關(guān)鍵的參數(shù)。間距越大，反射的波長(zhǎng)越長(zhǎng)（更偏向紅色）；間距越小，反射的波長(zhǎng)越短（更偏向藍(lán)色）。寶石金龜子（*Chrysochroa*）能呈現(xiàn)從綠到紅的彩虹色，正是其鞘翅下光子晶體晶格常數(shù)漸變的結(jié)果。

2.結(jié)構(gòu)對(duì)稱性：立方晶格、螺旋扭曲結(jié)構(gòu)（如吉丁蟲(chóng)）等不同對(duì)稱性，會(huì)影響反射光的顏色、強(qiáng)度和方向性（角度依賴性），產(chǎn)生虹彩效果。

3.材料折射率：組成單元的折射率也會(huì)影響帶隙位置和寬度。

超越色素的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

與化學(xué)色素相比，光子晶體產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色具有永不褪色（結(jié)構(gòu)穩(wěn)定）、色彩飽和度高、環(huán)保（無(wú)需染料）等優(yōu)勢(shì)。科學(xué)家正積極研究仿生光子晶體材料，應(yīng)用于環(huán)保涂料、防偽標(biāo)識(shí)、光學(xué)傳感器和高效光電器件等領(lǐng)域。

因此，生物光子晶體正是自然界進(jìn)化出的精密光譜“過(guò)濾器”，通過(guò)其納米尺度的周期性結(jié)構(gòu)，對(duì)光進(jìn)行選擇性反射與抑制，從而創(chuàng)造出令人驚嘆的繽紛色彩，并啟發(fā)著人類科技的創(chuàng)新。