โครงสร้างที่ทำให้เกิดสี

โครงสร้างที่ทำให้เกิดสี  สีตามธรรมชาติสามารถแบ่งตามแหล่งที่มาได้เป็น 3 ประเภทหลัก ๆ ได้แก่ เม็ดสี (pigments), สีที่เกิดจากโครงสร้าง (structural colors) และ สารเรืองแสง (bioluminescence) ความน่าสนใจของสีตามธรรมชาติ คือสีที่เกิดจากลักษณะของโครงสร้าง ซึ่งจะเกิดสีต่อเมื่อโครงสร้างของวัสดุอยู่ในระดับนาโนเมตรหรือไมโครเมตร โดยเมื่อแสงส่องผ่านเข้ามาทางพื้นผิวของโครสร้างจะทำให้เกิดสีต่าง ๆ ซึ่งจะขึ้นกับหลาย ๆ ปัจจัย เช่น มุมมองของผู้มองวัตถุและมุมของแสงที่ถูกกระทบ เป็นต้น กลไกที่เกี่ยวข้องกับการเกิดสีทางโครงสร้าง คือ การรบกวนของชั้นฟิล์ม (film interference), การเลี้ยวเบนของแสง (diffraction grating), การกระเจิงของแสง (scattering) และ ผลึกโฟโตนิกส์ (photonic crystals) และในบางกรณีอาจจะเกิดสีจากการรวมกันของโครงสร้างที่ทำให้เกิดสีและเม็ดสีซึ่งจะทำให้เกิดสีในรูปแบบต่าง ๆ ออกไป ยกตัวอย่างเช่น หางของนกยูงที่มีเม็ดสีเป็นสีน้ำตาลและโครงสร้างที่ทำให้เกิดสีของหางนกยูงที่มีขนาดในระดับจุลภาคซึ่งทำให้เกิดสีฟ้าที่สามารถสะท้อนแสงได้และเกิดเป็นสีเหลือบขึ้นอยู่กับมุมมองของผู้สังเกตจนทำให้เกิดเป็นสีเขียวอ่อน สีฟ้าและสามารถเกิดเป็นประกายระยิบระยับคล้ายสีรุ้ง (Iridescent)
กลไกของการเกิดสีทางโครงสร้าง.
Film interference.
การแทรกสอดของฟิล์ม (Film interference) ในธรรมชาติรวมถึงการแทรกสอดของฟิล์มบางและฟิล์มหลายชั้น ตัวอย่างของสีที่รู้จักกันดีเกิดจากการแทรกสอดของฟิล์มบาง คือ สีของฟองสบู่ที่สังเกตเห็นเมื่อแสงตกกระทบบนฟิล์มบาง เกิดมาจากการแทรกสอดของแสงที่สะท้อนจากฟิล์มบาง 2 ชั้น โดยเมื่อแสงตกกระทบบนฟิล์มบาง แสงบางส่วนจะสะท้อนที่ผิวของฟิล์ม แสงบางส่วนจะหักเหผ่านเข้าไปในเนื้อฟิล์มแล้วสะท้อนที่ผิวล่าง แล้วหักเหผ่านผิวบนกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศอีกครั้ง และเกิดการแทรกสอดของแสง เมื่อมองทางด้านบนของฟิล์มบางจึงเห็นเป็นสีต่าง ๆ เมื่อมองในมุมต่าง ๆ กัน
การแทรกสอดแบบนี้ในธรรมชาติพบในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด เช่น ในปีกของผีเสื้อบางตัวเป็นฟิล์มบางเดียวและมีสีแตกต่างกันซึ่งเป็นผลมาจากความแตกต่างของความหนาของชั้นฟิล์ม ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสีตามโพลาไรเซชันของแสง หรือแม้แต่การแทรกสอดของฟิล์มหลายชั้นที่มีอยู่อย่างแพร่หลายในปลา หอย ปูโอวัลน่าเดปป์ กุ้ง และปลาหมึก อีกทั้งยังมีในจำพวกแมลงซึ่งมีความซับซ้อนของโครงสร้างภายในปีกจะมีชั้นซ้อน ๆ กันทำให้เกิดสีต่าง ๆ เช่น ด้วงสายพันธุ์ "Chrysochroa", "Cicindelinae", "Plateumaris sericea" และด้วงอัญมณี (jewel beetle)
Diffraction gratings.
การกระจายแสง (Diffraction gratings) จะเป็นแผ่นวัสดุบางที่ถูกแบ่งออกเป็นช่อง ๆ และอยู่ชิดกันมาก ซึ่งจำนวนช่องของเกรตติงอาจมีมากถึง 10,000 ช่องต่อเซนติเมตร ถ้าให้แสงจากดวงอาทิตย์หรือแสงขาวจากหลอดไฟส่องผ่านเกรตติง จะเห็นสเปกตรัมของแสงอาทิตย์หรือแสงขาวออกเป็น 7 สี โดยเกรตติงถูกพัฒนามาจากสลิตคู่ด้วยการเพิ่มจำนวนช่วงทั้งสองให้มากขึ้น มีผลทำให้ระยะห่างระหว่างช่องอยู่ใกล้กันมากขึ้นทำให้การเลี้ยวเบนของแสงมากขึ้น เกิดแสงความยาวคลื่นเดียวตกกระทบบนเกรตติงและแสงบางส่วนจะเบนออกจากแนวไปปรากฏบนฉากเป็นแถบสว่างเล็ก ๆ แถบสว่างนี้เกิดจากการแทรกสอดของแสงจากช่องอื่น ๆ ทุกช่องที่เสมือนเป็นแหล่ง กำเนิดแสงอาพันธ์ การเลี้ยวเบนเกรตติงพบในธรรมชาติ เช่น ผีเสื้อ "Morpho" และ "Lamprolenis nitida" สกุลนี้อาจเป็นหนึ่งในผีเสื้อที่มีสีสันสวยงามที่สุด ส่วนใหญ่มีสเกลที่แตกต่างกันสองชั้น สเกลใหญ่และเล็ก จัดเรียงสลับกันเป็นแถว ชั้นหนึ่งทำจากฐานเกล็ดซึ่งก่อให้เกิดการแทรกสอดตามฟิล์มแนวตั้ง และกระจายแสงตามฟิล์มแนวนอน เป็นรูปแบบหนึ่งของการเลี้ยวเบน ซึ่งอาจสะท้อนแสงที่ตกกระทบได้ถึง 80% ทำให้มองเห็นเป็นสีฟ้า อีกชั้นหนึ่งทำจากสันของเกล็ดทำหน้าที่เบี่ยงเบน และแสดงสีสันที่มีสีเหลือบด้วย
Scattering Light.
การกระเจิง (scattering) โดยทั่วไปหมายถึงการรบกวนให้แสง เสียง หรือ อนุภาค ถูกบังคับให้เบี่ยงเบนไปจากวิถีทางตรงไปหนึ่งเส้นทาง หรือ มากกว่าหนึ่งเส้นทาง ซึ่งการกระเจิงนี้รวมถึงการสะท้อนจากวัตถุไม่ว่าจะในทางเสริมสร้างหรือหักล้าง การจำแนกประเภทของการกระเจิงของแสงได้เป็น 2 แบบ คือ การกระเจิงแบบโคฮีเรนต์ และ การกระเจิงแบบอินโคฮีเรนต์
การกระเจิงแบบโคฮีเรนต์ (coherent scattering) เกิดจากการชนกันแบบยืดหยุ่น (elastic collsion) ซึ่งไม่มีการสูญเสียพลังงานจากการเกิดอันตรกิริยาชนิดนี้ พลังงานของแสงหลังชนกับอะตอมตัวกลางยังคงมีค่าเท่ากับพลังงานของแสงก่อนการชน โดยมีเพียงการเปลี่ยนแปลงทิศทางของแสงภายหลังการชนเท่านั้น ในขณะที่การกระเจิงแบบอินโคฮีเรนต์ (incoherent scattering) นั้นจะมีการถ่ายทอดพลังงานของแสงบางส่วนให้แก่อิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมตัวกลาง ทำให้แสงมีพลังงานลดลง และ มีทิศทางเปลี่ยนไปเป็นมุมแคบ ๆ การกระเจิงแบบโคฮีเรนต์สามารถทำให้เกิดสีเหลือบได้ แต่ทุกการกระเจิงแบบโคฮีเรนต์ไม่ได้ทำให้เกิดสีเหลือบเสมอไป ในทางกลับกันการกระเจิงแบบอินโคฮีเรนต์ นั้นไม่สามารถทำให้เกิดสีเหลือบได้ มีโครงสร้าง 3 แบบที่ทำให้เกิดสีรุ้ง ได้แก่ laminar, crystal, และ quasi ordered โดยโครงสร้างแบบ Laminar และ crystal เป็นโครงสร้างในระดับนาโนที่มีลักษณะเป็นชั้น ๆ หรือ มีลักษณะคล้ายคริสตัลนั้นสามารถผลิตสีเหลือบได้น้อยกว่าในโครงสร้างนาโนที่เป็นแบบ quasi-ordered
ตัวอย่างที่รู้จักกันดี ได้แก่ เกล็ดของผีเสื้อ "Papilio zalmoxis" ผิวหนังของนก และขนหางของนกยูง เป็นต้น หากเปลี่ยนแปลงมุมในการสังเกต หรือความสว่าง จะส่งผลกระทบต่อความยาวเฉลี่ยของคลื่นที่กระเจิงออกมา ทำให้เกิดสีเหลือบขึ้น
สีฟ้าเหลือบในเกล็ดของผีเสื้อ "Papilio zalmoxis" ส่วนใหญ่เป็นผลจากโครงสร้างที่ทำให้เกิดการกระเจิงแบบโคฮีเรนต์ และ thin-film interference ในโครงสร้างที่เป็น lamella นอกจากนี้ยังพบว่าสีผิวเขียวเหลือบของนก yellow-bellied asity เกิดจากการกระเจิงแสงขาวแบบโคฮีเรนต์ของอนุภาคคอลลาเจนที่ผิว
Photonic crystals.
โครงสร้างระดับนาโนที่ทำให้เกิดสีในสิ่งมีชีวิต มีผลึกที่มีสมบัติพิเศษทางแสง เรียกว่า photonic crystals เป็นผลึกคอมโพสิตจากวัสดุ 2 ชนิด ที่มีดัชนีการหักเหแตกต่างกัน มีความยืดหยุ่น และเปลี่ยนคุณสมบัติไปตามอุณหภูมิ โครงสร้างมีลักษณะซ้ำ ๆ กัน (periodic) สามารถนำผลึกนี้ไปใช้ควบคุมการเดินทางของแสงได้
ผลึกโฟโทนิคเกิดจากการจัดเรียงของโครงสร้างขนาดนาโนที่มีส่วนประกอบของไคตินในเกล็ดปีก มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 150 นาโนเมตร และ มีระยะห่างเท่ากัน โครงสร้าเหล่านี้จะถูกจัดเป็นกลุ่มเล็ก ๆ แต่ละกลุ่มจะมีการจัดเรียงในทิศทางที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ด้วง "Lamprocyphus augustus" มีโครงกระดูกภายนอก (exoskeleton) ถูกปกคลุมด้วยเกล็ดสีเขียวรูปไข่ ที่ประกอบด้วยผลึกคริสตัลรูปเพชร แต่ละเกล็ดแบ่งออกเป็นพิกเซล ที่เป็นผลึกเดี่ยว และสะท้อนแสงในทิศทางที่แตกต่างจากผลึกข้างเคียง ทำให้มองเห็นเป็นสีเขียวสดใสสม่ำเสมอในทุกทิศทาง