Какого цвета окраску имеет ворон или скворец? Казалось бы, ответ прост - черного. Но люди, которые пробовали нарисовать их, сталкивались с тем, что правильное изображение этих птиц требует, кроме черного, использование не менее 5-6 разных карандашей или красок.
Ведь на черном фоне проявляется целая гамма самых разнообразных цветов, которые удивительным образом перетекают из одного в другой и играют, переливаются при каждом движении птицы. Такую же изменчивую игру радуги можно наблюдать и на оперении других цветов - скажем, зеленом или синем у попугаев или павлинов. Какой механизм позволяет достичь такой изменчивости цветов?
Статья получилась объёмной и временами напоминающей лекцию из одного из учебных заведений, но информация интересная. Если вас заинтересовала данная тема, то желаю приятного прочтения. В благодарность автору - "лайк" или "подписка", а можно всё сразу.
Как образуются окраски
Обычно формирование окраски представляется как использование определенных красителей, которые наносятся на основу или вводятся как один из элементов в структуру. Если мы хотим что-то нарисовать, то берем карандаш и наносим штрихи на бумагу. Чтобы ткань приобрела определенного цвета, её нити просачиваются раствором красителя. Для окраски желе в него можно добавить пищевой краситель. То есть образование окраски - это использование химических веществ, которые имеют свойство отражать световые волны определенной длины и поглощать другие.
Что дает ощущение цвета - возможность для зрительного рецептора воспринять поток световых волн определенной длины, которые отраженных от предмета. Вещества, вырабатываемые живыми существами, которые способны создавать окраски получили название пигментов. Кстати, это слово используются и для наименования цветных порошков минерального или органического происхождения, которые используются для изготовления красок.
Однако есть и другой путь образования цветов - разделение потока белого света на отдельные потоки с различными длинами волн.
Самый известный пример - радуга. Искусственно радугу можно получить, пропустив белый свет через призму. Так как свет с разной длиной волны имеет различные показатели преломления (изменения направления движения) на границе воздуха и стекла, их потоки разделяются. Соответственно, образуются полосы разных цветов - спектр. Это явление называется дисперсия света.
Еще один способ выделения цветных струй из потока белого света - использование дифракционной решетки. Дифракция - это способность световой волны обходить препятствие. Под препятствием волны взаимодействуют между собой, усиливая или ослабляя друг друга. Образующее чередование более ярких и более темных участков определенного цвета в зависимости от длины волны. Это явление называется интерференцией. Дифракционная решетка - это чередование одинаковых параллельных непрозрачных препятствий для света с одинаковыми параллельными прозрачными промежутками, ширина которых и расстояние между ними сопоставимы с длиной световой волны.
Фотонные кристаллы - еще один "инструмент" образования цветной окраски. Это своеобразные среды, которые фактически работают как трехмерная дифракционная решетка. Ведь они имеют структуру, которая отвечает за периодическую смену показателя преломления в разных направлениях в пространстве. Они используют так называемую брэгговскую дифракцию света, то есть явление рассеяния волн с разной интенсивностью в зависимости от угла падения света.
В упомянутых случаях в образовании цвета пигменты не участвуют. Физические процессы дифракции и интерференции лежат в основе мерцающего цветного разнообразия птичьих перьев. Такая окраска получила название структурной, поскольку она связана не с использованием пигментов, а с особенностями микроструктуры оперение птицы (или кожи или чешуек других животных, если речь идет о них - ведь такое образование цветов присуще представителям не только животного, но и растительного мира). Другое название - иридизация (Ирис, Ирида - греческая богиня радуги).
Как образуются структурные окраски у птиц
Обычное перо птицы - уникальная по сложности структура, которая эффективно выполняет сразу целый комплекс функций: от термоизоляции и поверхности для полета к привлечению лиц противоположного пола благодаря цветам.
Перо имеет сложное строение. Оно состоит из стержня и опахал, которые располагаются по обе его стороны. Опахало - объединение большого количества нитей, каждая из которых имеет бородки второго порядка, сочетающиеся между собой. Микроструктура их поверхности имеет выраженную фактуру, которая пригодна к сложным взаимодействиям со светом. В ряде случаев она по своей форме напоминает дифракционную решетку. Или еще более сложные структуры - деформированные матрицы, которые способны к специфическому отражение потоков света с дифракцией и интерференцией.
Сейчас особенности структурной окраски, в том числе и птичьего оперения, активно изучаются. Электронная микроскопия позволяет выяснить особенности микростроения пера, а также взаимодействия структуры и пигментов. Ведь пигмент служит фоном, на котором проявляются структурные цвета - как радуга лучше заметна на фоне темных облаков.
В общем, структурная окраска птиц может образовываться по меньшей мере тремя путями. Первый из них - интерференция в поверхностном, очень тонком слое покрытия оперения. Другой - отражение света от гранул черного пигмента меланина. Еще один - взаимодействие света с аморфными кружевными структурами из кератина (белка, из которого состоят производные эпидермиса - перья птиц, волосы) в поверхностной части бородок.
Еще в одном исследовании показано, что синий цвет у попугаев и сойки образуется отражением света от сложной структуры гранул меланина, имеет вид, подобный используемых в технике дифракционных решеток. Разница в отражении света от различных гранул связана с глубиной их залегания в структуре бородок перышка. Увеличение яркости окраски, обогащения оттенками одного цвета происходит в случае, когда структура бородок позволяет двойное отражение света.
Итак, разнообразие птичьего оперения, кроме обычной пигментации, обеспечивается чрезвычайно сложными структурами, особенности которых становятся понятными только сейчас, при использовании для исследований строения пера электронной микроскопии.
Что там по технологиям, кому нужно изучение птичьего окраса?
В общем, этот вопрос не очень корректный, ведь любое исследование, которое позволяет приблизиться к пониманию тайн природы, является самоценностью по определению.
Но в наше прагматичное время исследования физики птичьего разнообразие имеют не только научную, но и практическую ценность. И даже могут помочь в охране природы. Ведь использование структурной окраски - очень хороший путь к уменьшению использования красителей и создание материалов с новыми свойствами.
Зачем отказываться от проверенной веками практики окрашивания материалов? К сожалению, большое количество красителей опасны для здоровья человека и окружающей среды - во время процесса окрашивания или при изготовлении самого красителя. Некоторые из них являются сильными ядами. Поэтому любые нарушения технологий производства этих материалов могут приводить к настоящим экологическим катастрофам. От других красок (как свинцовые белила) вообще отказались из-за их ядовитости.
Кроме того, красители имеют постоянный цвет. А еще часто выцветают, теряют его с течением времени или при активном использовании. Что уменьшает сроки использования вещей.
Всего этого можно избежать, создав новые материалы. Которые смогут долго сохранять свой цвет за счет того, что он образуется не с помощью красителей, а из-за особенностей строения. Кроме того, это открывает новые возможности, ведь такие цвета могут быть изменчивыми - как цвета эльфийский плащей во "Властелине колец".
Такие материалы уже активно разрабатывают. Так, из целлюлозы за счет особой модификации ее структуры был создан материал, который благодаря оптическим эффектам намного белее самого белого сорта бумаги.
Другой материал, уже приближается к практическому использованию - это разработка полимерной пленки, которая меняет свой цвет в зависимости от степени ее натяжения, легко найдет применение в самых различных областях производства - от интересных необычных игрушек к определению опасности деформации зданий.
Уже широко используется структурные окраски при изготовлении цветных голографических изображений, а в дальнейшем такие материалы будут распространяться все больше благодаря их выносливости, яркости, возможности изменения цветов. И большей безопасности для человека и окружающей среды.
Данные технологии изучаются по всему миру, а может инновационный центр "Сколково", о котором слышали многие, как минимум благодаря "мемам" в интернете, скоро нас порадует свежей разработкой. Но это не точно.
Спасибо за внимание, не забываем подписываться на канал, чтобы не пропускать новые публикации. А кто подписался, буду благодарен за "лайк".