צבעוניות מבנית

במאה ה-17 שני מדענים אנגלים רוברט הוק ואייזק ניוטון היו הראשונים שצפו בצבעוניות מבנית.^[3] 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.

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 קבוע��ם על פני השטח, היוצרים צבעוניות מבנית.

צבעוניות מבנית היא האחראית לצבעי הכחול והירוק של הנוצות במינים רבים של ציפורים, כמו גם לצבען של כנפי פרפרים וחיפושיות ממינים שונים. צבעוניות מבנית מפיקה את הצבעים הססגוניים של החומר דר, המיוצר על ידי מספר צדפות, למשל כאלה המשתייכות למשפחות הנאוטילוסיים וה-Pteriidae. הסיבה לכך היא שהצבע המוחזר תלוי בזווית הצפייה, ומכל זווית המרווח של המבנים שונה. ניתן לשלב צבעים מבניים עם צבעי פיגמנט, למשל נוצות טווס הן חום עם פיגמנט מלנין.

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 עופות כמו אצל הטווס. דרך נוספת לייצר סריג עקיפה היא עם מערכים דמויי עץ של כיטין, כמו בקשקשי הכנף של חלק מפרפרי מורפו הטרופיים הססגוניים.

גבישים פוטוניים יכולים להיווצר בדרכים שונות.^[4] למשל בפרפרים ממין Paridessesostris, פרפרי "האמרלד – טלאים" ממשפחת Cattle heart^[5], 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 Lamprocyphus augustus, 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 של מיקרומטר. 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.

ספיר ים (Sapphirinidae) הוא יצור ימי זעיר (גודלו נע בין 1 עד 7 מ"מ) מתת-מערכת הסרטנאים, הזכר חסר עיניים, לנקבה יש עיניים, והיא תמיד שקופה לא מחליפה צבעים. כשהזכר שוחה הוא מציג צבעים מרהיבים בגוון של כחול-סגול זוהר ולפעמים גם צהוב ואדום וברגע הוא יכול להפוך לבלתי-נראה. צבעו משתנה בהתאם לזווית האור באמצעות מבנים ננומטריים של גבישי גואנין^[6][7].

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 ביצורים הימיים.

מטריצות המכילות קרטין ספוגי המורכבות ממבנים ננומטרים באוריינטציה אקראית, מייצרות את הצבע הכחול של הארה הכחולה-צהובה Ara ararauna. מכיוון שההשתקפויות לא מסודרות באותו הכיוון, הצבעים לא משתנים הרבה עם הזווית, ולכן הם לא ססגוניים.

צבעוניות מבנית באמצעות מראה סלקטיבית

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.

הצבע הייחודי של פירות מורן החורש, כחול כהה בעלי גוון מתכתי, אינו מבוסס על ידי בליעת אור של צבען כברוב הצמחים, אלא הוא נוצר מיחסי גומלין של האור עם מבנים מחזוריים זעירים של ליפידים שגודלם כמה מאות ננומטרים (מיליארדיות המטר). לעת עתה לא ידועה שום צבעוניות מבנית המבוססת על שכבה ליפידית – לא בצמחים, לא בבעלי חיים ולא בשום מקום אחר. בדפנות התאים החיצוניים של הפרי קיים מבנה עבה יחסית של 30 עד 10 מיקרומטר, העשוי משכבות משני סוגים שונים, שעוביין נע בין 30 ל-200 ננומטר. שכבה אחת היא דופן תא צמחי רגיל והשנייה מורכבת ממבנים מחזוריים זעירים של ליפידים המוטבעים ללא סדר. מתחת לשכבות המחזוריות של דופן התא והליפידים, שגורמות להחזרת הצבע הכחול, נמצא צבען אדום, אנתוציאנין, המקיף את הזרע. אור, שאינו מוחזר ממבנה הליפידים, נבלע בצבען האדום הכהה שמתחתיו. בליעה זו מונעת את פיזורו של האור, ומבליטה את ההשתקפות הכחולה מדפנות התאים השקופים של האיפדרמיס^[8][9].

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"^[10] יכול לשמש ליצירת זכוכית לחלונות עם החזרה נמוכה, תאים סולריים, התקני תצוגה, וטכנולוגיות של משטחים חמקנים לצרכים צבאיים.^[11]