צבעוניות מבנית

צבעוניות מבנית היא הפקת צבע באמצעות מבנה מיקרו או ננו סקופי של פני שטח. 
בשונה מצבעים המופקים על ידי צבענים (פיגמנטים) הגורמים לבליעה והעברה סלקטיבית של אורכי גל, בצבעוניות מבנית נוצר הצבע על ידי פגיעת אלומת אור בעלת אורכי גל שונים במשטח מרובד בעל מבנים זעירים כאשר האור מוחזר באופנים שונים מהשכבות השונות של המשטח, תופעה הנקראת גם "סכמו-כרומים". בשל השבירה הנוצרת בין השכבות, וההפרעות הנגרמות באור המוחזר מהמבנים השונים בהתאם לגאומטריה של פני השטח, מקבלים בזוויות שונות צבעים שונים. שילוב של מבנים זעירים של פני שטח יחד עם צבענים גורם להם להיראות בצבעים שונים, לדוגמה: נוצות זנב טווס צבועות בצבען חום, אך בשל מבנה פני השטח שלהן הן נראות בצבעי כחול, טורקיז וירוק 
.

היסטוריה

במאה ה-17 שני מדענים אנגלים רוברט הוק ואייזק ניוטון היו הראשונים שצפו בצבעוניות מבנית. הם טענו שהצבעוניות נוצרת במנגנון של התאבכות גלי אור, דבר שהוסבר עלי די תומאס יאנג בשנת 1803 כמאה שנה מאוחר יותר.
אפשר לתאר צבע זוהר כתוצאה מהתערובת של השתקפות ממשטחים של שכבות דקות. האור המוחזר ממשטחים בעלי עובי המתאים לאורך הגל, יוצר התאבכות בונה, ובעובי שונה התאבכות הורסת. לכן נראים צבעים שונים לפי עובי המשטחים. במבנים של שכבות דקות מרובדות התופעה מסובכת ולכן אפקטים הצבעוניים סגנוניים במיוחד.

עיקרון פעולה

הצבעים בטבע נוצרים כתוצאה ממנגנונים שונים. לרוב מנגנון הפקת הצבע הוא כתוצאה מכך שעצמים בולעים אורכי גל באופן סלקטיבי ומעבירים או מחזירים את שאר אורכי הגל, כך שלעין הצופה מגיעים אורכי הגל שחזרו או הועברו בעצמים אלו. צבעים יכולים להופיע גם בעצמים שקופים או חסרי צבענים במנגנון שאינו תלוי בבליעה סלקטיבית אלא מבוסס על מנגנון אופטי הקשור להתאבכות כתוצאה מהחזרת אור משכבות דקות, עקיפה והפרעות נוספות. בועת סבון או שלולית מים למשל נראים צבעוניים בשל התאבכות של גלי האור. כשהאור פוגע בקצה השכבה הוא נשבר: חלקו מוחזר מהדופן החיצונית וחלקו נשבר דרכה ומוחזר רק בהגיעו אל הדופן הפנימית. אלומת האור המוחזרת מהשכבה נקבעת, אם כן, על סמך התאבכות שני המרכיבים. הפרש המופע (פאזה) שנוצר בכל מסע בין המשטח החיצוני והמשטח הפנימי של השכבה הוא ביחס ישר לעובי השכבה וביחס הפוך לאורך הגל. מכאן שעבור כל עובי אפשרי של שכבה דקה, ההתאבכות היא בונה עבור אורכי גל מסוימים, והורסת עבור אחרים. אם מקרינים על שכבה דקה אור לבן כלומר, אור שמכיל את כל אורכי הגל הנראים, יבלטו מספר צבעים שיוחזרו ממנה בעוד שאחרים ייעלמו. הדבר ייצור מעין גוון צבעוני שמשתנה כשמשתנה עובי השכבה. צבעים הנראים על גבי תקליטור נגרמים על ידי עקיפה על חריצים הקיימים במרווחים קבועים על פני השטח, היוצרים צבעוניות מבנית.
צבעוניות מבנית היא האחראית לצבעי הכחול והירוק של הנוצות במינים רבים של ציפורים, כמו גם לצבעם של כנפי פרפרים וחיפושיות ממינים שונים. צבעוניות מבנית מפיקה את הצבעים הססגוניים של צדפות כגון אם הפנינה (Pteriidae) וNautilus. הסיבה לכך היא שהצבע המוחזר תלוי בזווית הצפייה, כאשר מכל מקום המרווח של המבנים שונה. ניתן לשלב צבעים מבניים עם צבעי פיגמנט, נוצות טווס הן חום עם פיגמנט מלנין.

צבעוניות מבנית בבעלי חיים

אצל בעלי חיים כמו על נוצות של ציפורים וקשקשים של פרפרים, ההפרעות נוצרות על ידי מגוון של מנגנונים אופטיים כמו סריג עקיפה, מראות סלקטיבית, גבישים פוטונים, סיבי גביש, מערך של מבנים ננומטרים וחלבונים שיכולים להשתנות בתצורה שלהם. רבים מהמנגנונים הללו ניתן לראות על ידי מיקרוסקופ אלקטרוני. 
סריג עקיפה הבנוי משכבות של כיטין ואוויר מפיק את הצבעים הססגוניים של הקשקשים אשר בכנפי פרפרים שונים, ויוצר גם את הצבעים של נוצות הזנב של ציפורים כמו אצל הטווס. דרך נוספת לייצר סריג עקיפה היא עם מערכים דמויי עץ של כיטין, כמו בקשקשי הכנף של חלק מפרפרי Morpho הטרופיים הססגוניים.
גבישים פוטוניים יכולים להיווצר בדרכים שונות למשל בפרפרים ממין Paridessesostris, פרפרי "האמרלד – טלאים" ממשפחת Cattle heart, נוצרים גבישים פוטונים ממערכים של חורים ננומטרים בכיטין על קשקשי הכנף. לחורים קוטר של כ-150 ננומטר בערך באותו מרחק זה מזה. החורים מסודרים באופן קבוע באזורים מסוימים היוצרים "טלאים" קטנים; טלאים שכנים מכילים מערכים עם אוריינטציות שונות. התוצאה היא שבקשקשי אמרלד - הטלאים משתקף אור ירוק באופן שווה בזוויות שונות במקום להיות ססגוני (מחליף צבעים).
בחדקונית מברזיל ממין Lamprocyphusaugustus, השלד החיצוני העשוי מכיטין מכוסה בקשקשים סגלגלים ירוקים זוהרים. אלה מכילים סריגי גבישים מבוססי יהלומים אשר מוטים בכל הכיוונים כדי לתת צבע ירוק מבריק שכמעט לא משתנה עם הזווית. הקשקשים מחולקים בצורה יעילה לפיקסלים ברוחב שלמיקרומטר. כל פיקסל כזה הוא גביש יחיד ומשקף את האור בכיוון שונה משכניו.
מראות סלקטיבית יוצרות אפקטי התאבכות הנוצרים מבקעות בצורת קערה בגודל מיקרון מרופדים בשכבות מרובות של כיטין בקשקשי הכנף של פרפרי Papilio palinurus, ממשפחת פרפרי סנונית אמרלד. אלה פועלים כמו מראות סלקטיביות עבור שני אורכי גל של אור. אור צהוב משתקף ישירות מהמרכזים של הקערות; האור הכחול משתקף פעמיים מהצדדים של הקערות. השילוב נראה ירוק, אך ניתן לראותו כמערך של כתמים צהובים מוקפים בעיגולים כחולים מתחת לעיני המיקרוסקופ.
הצבעים הססגוניים הבהירים בזיפים של אפרודיטה, עכבר הים, נוצרו על ידי מערכים משושים של סיבי גביש חלולים בגודל ננומטרי. בבעלי חיים צבעים אלו משמשים כסימן מתריעה המזהיר את בני מינם מפני טורפים או סימן מרתיע טורפים. קירות כיטין של זיפים חלולים בתצורה של גבישים פוטוניים בדמות חלת דבש משושה; חורי המשושים הם במרחק 0.51 מיקרומטר זה מזה. המבנה האופטי מתנהג כאילו היה מורכב מערימה של 88 סריגי עקיפה, מה שהופך את אפרודיטה לאחד מהחיות הססגוניות ביותר בייצורים הימיים.
מטריצות המכילות קרטין ספוגי המורכבות ממבנים ננומטרים באוריינטציה אקראית, מייצרות את הצבע הכחול של התוכי הכחול – צהוב Araararauna. מכיוון שההשתקפויות לא מסודרות באותו הכיוון, הצבעים לא משתנים הרבה עם הזווית, ולכן הם לא ססגוניים.

צבעוניות מבנית בצמחים

בצמחים מיוצרים על ידי התאים ננומבנים היוצרים צבעים מבריקים. הצבע הכחול המבריק ביותר הידוע מכל רקמה חיה אחרת מצוי בפרות יער השיש האפריקאי, Pollia condensata, שבו יש מבנה ספירלי של סיבי תאית (צלולוזה) המייצרים פיזור לפי חוק בראג Bragg's law.
הצבע הכחול הססגוני של פירות היער הוא האינטנסיבי ביותר מכל חומר חי. גרגרי היער בעלי משטח של ארבע שכבות של תאים עם קירות עבים, המכיל ספירלות של תאית שקופה במרווחים כדי לאפשר התאבכות בונה עם אור כחול. בהמשך לתאים אלו יש שתיים או שלוש שכבות של תאים המכילות טאנין (פולי פנול הנמצא בצמחים) עבה בצבע חום כהה.
Pollia מייצר צבע חזק יותר מכנפי פרפרי Morpho, והוא אחד המקרים הראשונים של צבעוניות מבנית ידועה מן הצמח.

Pollia הוא האורגניזם הראשון הידוע שמראה קיטוב אקראי של אור. מבנים מיקרונים ספירלים נמצאים גם בחיפושיות שבהן מייצרים צבעים ססגוניים.

ביומימיקרי - צבעוניות מבנית בטכנולוגיה

לצבעוניות מבנית יש פוטנציאל ליישום תעשייתי, מסחרי וצבאי, עם משטחים ביומימטיים שיכולים לספק צבעים מבריקים, הסוואה אדפטיבית, מתגים אופטיים יעילים וזכוכית עם החזרה נמוכה:
ניתן ליצור בדים לצורך הסוואה צבאית שמשנים את הצבע והמבנה שלהם כדי להתאים את עצמם לסביבה, בדיוק כפי שעושים זיקיות ודיונונים.
היכולת לשנות החזרות לאורכי גל שונים של אור יכולה גם להוביל למתגים אופטיים יעילים שיכולים לתפקד כמו טרנזיסטורים, מה שמאפשר למהנדסים ליצור מחשבים ונתבים אופטיים מהירים.
מבנה ננומטרי של "עין העש" יכול לשמש ליצירת זכוכית לחלונות עם החזרה נמוכה, תאים סולריים, התקני תצוגה, וטכנולוגיות של משטחים חמקנים לצרכים צבאיים.