موضوع مقاله: رنگ‌آمیزی ساختاری | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # رنگ‌آمیزی ساختاری | مقدمه: برای نمونه، پرهای دم طاووس قهوه‌ای رنگ هستند، اما ساختار میکروسکوپی آن‌ها باعث می‌شود نور آبی، فیروزه‌ای و سبز را نیز منعکس کنند و اغلب رنگین‌تاب هستند. | ## بخش 1: رنگ‌آمیزی ساختاری | رنگ‌آمیزی ساختاری اولین بار توسط دانشمندان انگلیسی رابرت هوک و آیزاک نیوتن مشاهده شد و آن اصل «تداخل امواج» توسط توماس یانگ پس از یک سده توضیح داده شد. یانگ، رنگین‌تابی را ناشی از تداخل بین بازتاب‌های دو یا چند سطح از پرده نازک، همراه با انکسار هنگام ورود و خروج نور از این پرده‌ها عنوان کرد. هندسه سپس تعیین می‌کند که در زوایای خاص، نوری که از هر دو سطح بازتابیده می‌شود، به‌طور سازنده تداخل ایجاد می‌کند، در حالی که در زوایای دیگر، نور به‌طور مخرب تداخل می‌کند؛ بنابراین رنگ‌های مختلف در زوایای مختلف پدیدار می‌شوند. در جانوران، مانند پرهای پرندگان و فلس‌های پروانه‌ها، تداخل توسط طیف گسترده‌ای از سازوکارهای نوری، از جمله توری پراش، آینه‌های انتخابی، بلورهای نوری، الیاف بلوری، ماتریس‌های نانوکانال و پروتئین ایجاد می‌شود که می‌تواند پیکربندی آنها را تغییر دهد. برخی از برش‌های گوشت نیز به دلیل قرار گرفتن در آرایش دوره‌ای فیبرهای ماهیچه‌ای، رنگ‌آمیزی ساختاری را نشان می‌دهند. بسیاری از این سازوکارهای نوری با ساختارهای پرجزئیات قابل مشاهده توسط میکروسکوپ الکترونی هماهنگی دارند. در چندین گیاه که از رنگ‌آمیزی ساختاری بهره می‌برند، رنگ‌های درخشان توسط ساختارهای درون سلول تولید می‌شوند. درخشان‌ترین رنگ آبی شناخته‌شده در هر بافت زنده در توت مرمری وجود دارد، جایی که یک ساختار مارپیچی از الیاف سلولز باعث پراکندگی نور در قانون براگ می‌شود. درخشش ظاهری گیاه آلاله توسط انعکاس پرده نازک توسط روپوست که با رنگدانه‌های زرد تکمیل می‌شود و انتشار قوی پراکندگی توسط یک لایه سلول نشاسته‌ای بلافاصله در زیر تولید می‌شود. رنگ‌آمیزی ساختاری با استفاده از سطوح زیست‌تقلید که می‌تواند رنگ‌های درخشان، استتار تطبیقی، سوئیچ‌های نوری کارآمد و شیشه‌های با بازتاب کم را ایجاد کند، امکان استفاده صنعتی، تجاری و نظامی را دارد. به نظر من طرفین بالایی آنها از تعداد زیادی بدنه نازک اندود شده تشکیل شده است که بیش از حد نازک هستند و بسیار نزدیک به هم قرار دارند و بنابراین مانند پوستک مادرمروارید، نور خیلی براق را بازتابانده نمی‌کنند، اما نور آن را روشن می‌کند، با حالت کنجکاوی و با استفاده از موقعیت‌های مختلف نسبت به نور، آنها هم‌اکنون یک رنگ را بازتاب می‌دهند و سپس رنگ دیگری را به‌وضوح نشان می‌دهند. اکنون که این رنگ‌ها کاملاً خارق‌العاده هستند، یعنی بلافاصله از شکست نور به وجود می‌آیند، با این نتیجه یافتم که آب باعث خیس شدن این قسمت‌های رنگی می‌شود، رنگ آنها را از بین می‌برد که به نظر می‌رسد از تغییر انعکاس و انکسار خواهد بود.ایزاک نیوتون در کتاب اپتیکس خود در سال ۱۷۰۴ سازوکار رنگ‌های دیگر غیر از رنگدانه قهوه‌ای پرهای دم طاووس را توصیف کرد. نیوتن متذکر شد که،پرهای ریز و رنگی برخی از پرندگان، و به‌ویژه آنهایی که از طاووس دم هستند، در همان قسمت از پر، پس از همان روشی که صفحه‌های نازک مشاهده شد، در چندین موقعیت چشم چندین رنگ ظاهر می‌شود. در مشاهدات ۷ و ۱۹ انجام دهید، و بنابراین رنگ آنها از نازک بودن قسمت‌های شفاف پرها ناشی می‌شود؛ یعنی از ظرافت موهای بسیار نازک یا مویرگی، که از کناره شاخه‌های جانبی یا الیاف آن پرها رشد می‌کنند. توماس یانگ (۱۸۲۹–۱۷۷۳) با نشان دادن دوگانگی موج و ذره نور، نظریه ذرات نیوتن را در مورد نور گسترش داد. وی در سال ۱۸۰۳ نشان داد که نور می‌تواند از لبه‌های تیز یا شکاف‌ها پراکنده شود و الگوهای تداخلی ایجاد کند. در کتاب رنگ‌آمیزی جانوران در سال ۱۸۹۲، فرانک اورز بدارد (۱۸۵۸–۱۹۲۵) وجود رنگ‌های ساختاری را تصدیق کرد:رنگ جانوران فقط به‌دلیل وجود رنگدانه‌های مشخص در پوست است، یا… در زیر پوست. یا تا حدی معلول اثرات نوری ناشی از پراکندگی، پراش یا انکسار نابرابر پرتوهای نور است. رنگ‌ها هنگامی تولید می‌شوند که ماده با خطوط موازی ریز شماره‌گذاری شود، یا از یک یا چند پرده نازک نوری موازی تشکیل شده باشد، یا در غیر این صورت از ریزساختارهایی در مقیاس طول موج رنگ تشکیل شده باشد. رنگ‌آمیزی ساختاری مسئول پرهای آبی و سبز بسیاری از پرندگان است (برای نمونه زنبورخوار، ماهی‌خورک‌های رودخانه‌ای و سبزقبا) و همچنین بسیاری از بال پروانه‌ها، موارد بال سوسک (بال‌پوش) و (در حالی که در میان گل‌ها نادر است) براق شدن گلبرگ‌های آلاله. مانند پرهای طاووس و پوستک‌های مادرمرواریدی مانند صدف‌های مروارید (نرم‌تنان بالدار) و ملوانک، این‌ها اغلب رنگین‌تاب هستند. دلیل این امر این است که رنگ منعکس شده به زاویه دید بستگی دارد، که به نوبه خود بر فاصله آشکار سازه‌های مسئول نظارت دارد. رنگ‌آمیزی ساختاری را می‌توان با رنگ‌های رنگ‌دانه ترکیب کرد: پرهای طاووس با ملانین قهوه‌ای رنگی می‌شوند، در حالی که گلبرگ‌های آلاله هم رنگدانه‌های کاروتنوئید برای زردی دارند و هم پرده‌های نازک برای بازتاب. رنگین‌تابی، همان‌طور که توماس یانگ در سال ۱۸۰۳ توضیح داد، زمانی ایجاد می‌شود که پرده‌های بسیار نازک بخشی از نور را که از سطح بالایی آنها می‌بارد، منعکس کنند. بقیه نور از طریق پرده‌ها عبور می‌کند و قسمت دیگری از آن از سطح پایین آنها منعکس می‌شود. اما از آنجا که امواج منعکس کننده پایین کمی دیرتر حرکت می‌کنند «با ضخامت و ضریب شکست پرده و زاویه سقوط نور کنترل می‌شود» دو مجموعه امواج از وجهه خارج می‌شوند. | ## بخش 2: رنگ‌آمیزی ساختاری | هنگامی که امواج یک یا چند طول موج کامل از یکدیگر فاصله دارند، در برخی از زوایای خاص، آنها به هم اضافه می‌شوند (به‌طور سازنده تداخل می‌کنند) و بازتاب قوی ایجاد می‌کنند. در زوایای دیگر و اختلاف فاز، آنها می‌توانند کم شوند و بازتاب ضعیفی داشته باشند؛ بنابراین پرده نازک فقط یک طول موج یک رنگ خالص را در هر زاویه مشخص انتخاب می‌کند، اما طول موج دیگر رنگ‌های مختلف را در زوایای مختلف منعکس می‌کند؛ بنابراین، به محض حرکت یک ساختار پرده نازک مانند بال یک پروانه یا پر پرنده، به نظر می‌رسد که تغییر رنگ می‌دهد. تعدادی از سازه‌های ثابت می‌توانند با ایجاد سازوکاری شامل توری‌های پراش، آینه‌های انتخابی، بلورهای فوتونی، الیاف کریستال و ماتریس‌های تغییر شکل یافته، رنگ‌های ساختاری ایجاد کنند. ساختارها می‌توانند بسیار پیچیده‌تر از یک پرده نازک باشند: پرده‌ها را می‌توان برای ایجاد رنگین‌تابی قوی، ترکیب دو رنگ یا تعادل بخشیدن به تغییر ناگزیر رنگ با زاویه، برای ایجاد یک اثر پراکنده بیشتر و اثر رنگین‌تاب کمتر جمع کرد. هر سازوکار یک راه‌حل خاص برای مشکل ایجاد یک رنگ روشن یا ترکیبی از رنگ‌های قابل مشاهده از جهات مختلف ارائه می‌دهد. هوک و نیوتن درست ادعا کردند که رنگ طاووس در اثر تداخل ایجاد می‌شود، اما ساختارهای مسئول، از نظر مقیاس نزدیک به طول موج نور (به میکروگراف‌ها مراجعه کنید)، کوچکتر از ساختارهای مخططی بودند که می‌توانند با میکروسکوپ نوری خود ببینند. روش دیگر برای تولید توری پراش استفاده از آرایه‌های درختی شکل کیتین است، مانند فلس بال برخی از پروانه‌های مورفو با رنگ درخشان (نگاه کنید به طرح). مویچه‌های پرهای ناحیه سینه آن با رنگ روشن و شکل V است و ریزساختارهایی با پریده نازک ایجاد می‌کند که به شدت منعکس کننده دو رنگ مختلف است: سبزآبی روشن و زرد نارنجی روشن. هنگامی که پرنده حرکت می‌کند، به جای اینکه به‌صورت رنگین‌تاب جابه‌جا شود، به شدت بین این دو رنگ تغییر می‌کند. در طول خواستگاری، پرنده نر به‌طور سیستماتیک حرکات کوچکی را برای جذب ماده انجام می‌دهد، بنابراین ساختارها باید از طریق انتخاب جنسی تکامل یافته باشند. در پروانه قلب‌گاو زمردی بلورهای فوتونی از آرایه‌هایی از سوراخ‌های نانو در کیتین فلس‌های بال تشکیل شده‌اند. نتیجه این است که این وصله‌های زمردی فلس‌های قلب‌گاو، به جای اینکه رنگین‌تاب باشد، نور سبز را در زوایای مختلف به‌طور مساوی منعکس می‌کنند. در سرخرطومی سبزطلائی شکوهمند، یک سرخرطومی از برزیل، اسکلت بیرونی کیتینی با فلس‌های بیضی سبز رنگین‌تاب پوشانده شده است. اینها شامل شبکه‌های بلوری مبتنی بر پایه‌الماس هستند که در همه جهات برای ایجاد یک رنگ سبز درخشان که به سختی با زاویه تغییر می‌کند قرار دارند. این ترکیب سبز به نظر می‌رسد، اما می‌تواند به صورت آرایه‌ای از لکه‌های زرد احاطه شده توسط دایره‌های آبی در زیر میکروسکوپ دیده شود. الیاف بلوری که از آرایه‌های شش ضلعی نانوالیاف توخالی تشکیل شده است، رنگ‌های رنگین‌تاب روشن در مژکچه‌های آفرودیتا (کرم حلقوی غیرشبه‌کرم)، را ایجاد می‌کند. دیواره‌های کیتین مژکچه‌های توخالی یک کریستال فوتونی شش‌ضلعی به شکل شانه‌عسل تشکیل می‌دهند. این ساختار رفتار نوری دارد که گویی از پشته‌ای از ۸۸ توری پراش تشکیل شده است و باعث می‌شود افرودیتا یکی از رنگین‌تاب‌ترین موجودات دریایی باشد. ماتریس‌های تغییرشکل یافته، متشکل از نانو کانال‌های به‌طور تصادفی جهت‌دار در یک ماتریس کراتینی شبه‌اسفنجی است، که باعث ایجاد رنگ آبی غیررنگین‌تاب در طوطی مکائو آبی‌طلایی می‌شوند. از آنجا که بازتاب‌ها همه در یک راستا قرار نگرفته‌اند، رنگ‌ها اگرچه هنوز هم باشکوه هستند، اما از نظر زاویه تفاوت زیادی ندارند، بنابراین رنگین‌تاب نیستند. سطح توت دارای چهار لایه سلول با دیواره‌های ضخیم است که حاوی مارپیچ‌های سلولز شفاف با فاصله از یکدیگر است تا تداخل سازنده‌ای با نور آبی ایجاد کند. زیر این سلول‌ها یک لایه به ضخامت دو یا سه سلول وجود دارد که حاوی تانن‌های قهوه‌ای تیره است. توت مرمری رنگ قوی‌تری نسبت به بال‌های پروانه‌های مورفو تولید می‌کند و یکی از اولین نمونه‌های رنگ‌آمیزی ساختاری است که از هر گیاه شناخته می‌شود. فیبرهای انباشته شده هر سلول ضخامت خاص خود را دارد و باعث می‌شود رنگ متفاوتی از همسایگان خود را منعکس کند و یک اثر پیکسلی یا نقطه‌چینی با آبی‌های مختلف و با نقطه‌های سبز، بنفش و قرمز درخشان ایجاد کند. الیاف هر سلول یا چپ‌دست یا راست‌دست هستند، بنابراین هر سلول به صورت دایره‌ای نوری را که در یک جهت یا جهت دیگر منعکس می‌کند قطبی می‌کند. درخشندگی زرد از ترکیبی نادر در میان گیاهان از رنگدانه زرد و رنگ‌آمیزی ساختاری ناشی می‌شود. | ## بخش 3: رنگ‌آمیزی ساختاری | سلول‌های نشاسته‌ای غیرمعمول انتشاردهنده ولی بازتابنده قوی ایجاد می‌کنند و درخشندگی گل را افزایش می‌دهند. گلبرگ‌های منحنی یک ظرف سهمی‌گون تشکیل می‌دهند که گرمای خورشید را به قسمت‌های تولیدمثل در مرکز گل هدایت می‌کند و آن را تا چند درجه سانتی‌گراد بالاتر از دمای محیط نگه می‌دارد. توری‌های سطح، متشکل از ویژگی‌های سطح منظم شده به‌دلیل قرار گرفتن سلول‌های عضلانی منظم در برش‌های گوشت می‌باشد. رنگ‌آمیزی ساختاری برش‌های گوشت تنها پس از اینکه الگوی مرتب شده تارچه‌های عضلانی آشکار شود و نور توسط پروتئین‌های موجود در رشته‌ها پراکندگی پیدا کند، نمایان می‌شود. رنگ‌آمیزی یا طول موج نور پراش‌یافته به زاویه مشاهده بستگی دارد و می‌تواند با پوشاندن گوشت با ورقه‌های شفاف افزایش یابد. زِبرکردن سطح یا از بین بردن مقدار آب با خشک شدن باعث می‌شود که ساختار فروپاشیده و بنابراین رنگ‌آمیزی ساختاری از بین می‌رود. تداخل از بازتاب‌های داخلی متعدد کلی می‌تواند در ساختارهای ریزمقیاس، مانند قطرات آب ساکن و قطرات دو فازی روغن در آب و همچنین سطوح ریزساختار بَسپار ایجاد شود. در این سازوکار رنگ‌آمیزی ساختاری، پرتوهای نوری که با مسیرهای مختلف بازتاب داخلی کلی در امتداد یک رابط حرکت می‌کنند، باعث ایجاد رنگ رنگین‌تاب می‌شوند. سازوکارها شامل پروتئین‌های برگشت‌پذیر هستند که می‌توانند بین دو پیکربندی جابجا شوند. پیکربندی پروتئین‌های رفلکتین در سلول‌های رنگدانه‌ای در پوست مرکب‌ماهی درازباله ساحلی توسط بار الکتریکی کنترل می‌شود. هنگامی که بار وجود ندارد، پروتئین‌ها کاملاً روی هم قرار می‌گیرند و یک لایه بازتابنده و نازک تشکیل می‌دهند. از آنجا که کروماتوفورها حاوی چندین لایه رفلکتین هستند، سوئیچ فاصله لایه را تغییر می‌دهد و از این رو رنگ نوری را که منعکس می‌شود تغییر می‌دهد. اختاپوس‌های حلقه‌آبی بیشتر وقت خود را به مخفی شدن در شکاف‌ها اختصاص می‌دهند، در حالی که با سلول‌های کروماتوفور پوستی خود الگوهای استتار مؤثری را نشان می‌دهند. اگر تحریک شوند به سرعت تغییر رنگ می‌دهند و با زرد درخشان می‌شوند که هر یک از ۶۰–۵۰ حلقه در یک سوم ثانیه به آبی رنگین‌تاب درخشان چشمک می‌زنند. وقتی اینها شل می‌شوند و عضلات خارج از حلقه منقبض می‌شوند، حلقه‌های آبی درخشان در معرض دید قرار می‌گیرند. رنگ‌ها ساختاری هستند و در اثر تداخل با نور منعکس شده از پشت صفحه شیشه‌ای ایجاد می‌شوند. در این روش از امولسیون حساس به نور به اندازه کافی خوب استفاده شده است تا تداخل ناشی از انعکاس امواج نور از پشت صفحه شیشه‌ای در ضخامت لایه امولسیون، در یک فرایند عکاسی تک‌رنگ (سیاه و سفید) ثبت شود. در سال ۲۰۱۰، سازنده لباس دونا اسکرو (Donna Sgro) از تیجین الیاف مورفوتکس، پارچه‌ای بدون رنگ بافته شده از الیاف رنگین‌ساختاری، تقلید از ریزساختار فلس‌های پروانه مورفو را ساخت. این الیاف از ۶۱ لایه متناوب مسطح، با ضخامت ۷۰ تا ۱۰۰ نانومتر، از دو پلاستیک با شاخص‌های شکست مختلف، نایلون و پلی‌استر، در یک غلاف نایلون شفاف با مقطع بیضی شکل تشکیل شده است. از رنگ‌آمیزی ساختاری می‌توان بیشتر به‌صورت صنعتی و تجاری بهره‌برداری کرد و تحقیقاتی که می‌تواند منجر به چنین کاربردهایی شود در حال انجام است. برای نمونه ایجاد پارچه‌های استتار نظامی در استتار فعال است که رنگ و الگوهای آنها متناسب با محیط آنها متغیر است، درست مانند آفتاب‌پرست‌ها و سرپایان. توانایی تغییر بازتابندگی به طول موج‌های مختلف نور همچنین می‌تواند منجر به سوئیچ‌های نوری کارآمد شود که می‌توانند مانند ترانزیستورها عمل کنند، مهندسان را قادر می‌سازد تا کامپیوترهای نوری سریع و روترها را بسازند. سطح چشم‌مرکب مگس‌خانگی پر از بسته‌های متراکم میکروسکوپی است که تأثیر کاهش انعکاس و در نتیجه افزایش انتقال نور حادثه‌ای را دارد. به همین ترتیب، چشم بعضی از پروانه‌ها دارای سطح ضدانعکاسی است و دوباره از آرایه‌هایی از ستون‌های کوچکتر از طول موج نور استفاده می‌شود. از نانوساختارهای چشم‌شب‌پره می‌توان برای ایجاد شیشه با بازتاب کم برای پنجره‌ها، سلول‌های خورشیدی، دستگاه‌های نمایشگر و فناوری‌های مخفی‌کاری نظامی استفاده کرد. | ## جمع‌بندی | با ایجاد صورتک توسط لیتوگرافی با نانوذرات طلا و سپس انجام اچینگ یون فعال می‌توان سطوح زیست‌تقلید ضدانعکاس را با استفاده از اصل «چشم‌شب‌پره» تولید کرد.