色鮮やかな黒、変化に富んだ白、鮮やかな緑…1億年も受け継がれてきた？

監査専門家：羅慧謙

中国科学院物理研究所准研究員

自然界は色とりどりに溢れています。青々とした緑の木々、群生する赤い花々、あるいはその間を飛ぶ鳥や蝶々など、それらはすべて私たちの世界に多くの美しさを加えてくれます。色彩は新鮮で、明るく、生き生きとしていて、まばゆいばかりです。では、これらの美しい色はどのようにして現れるのでしょうか?

色の源 一般的に、自然界の色は、生物発光、化学色、構造色の 3 つの源から生じます。生物発光とは、一部の生物が好気条件下で、触媒の作用により有機物中の化学エネルギーを光エネルギーに変換し、それを放出するプロセスを指します。ホタル、クラゲ、その他の生物の生物発光はこのカテゴリーに属します。

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化学的な色の表現は顔料に依存します。自然界では、私たちが目にする色のほとんどは化学的な色であり、色素の損失や変化により色が褪せたり変化したりします。たとえば、フラミンゴの色は、濾過した藻類やプランクトンなどの餌から生まれます。これらの藻類やプランクトンにはカロテノイドが含まれています。フラミンゴがそれを食べると、カロテノイドが蓄積されて羽が真っ赤になります。フラミンゴがこの種の食物を食べるのをやめると、その色はゆっくりと灰色または白に戻ります。

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構造色レンダリングは生物の表面構造に依存します。観察角度が変わったり、表面構造が変わったりすると、見える色も若干変わります。たとえば、蝶や鳥の羽の色は、振動の過程で何らかの変化を生み出します。例えば、人が琥珀や昆虫を磨いたり研磨したりしているときに、誤ってその構造を傷つけてしまうと、琥珀や昆虫が何億年もの間保ってきた金属色が破壊されてしまいます。

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簡単に言えば、構造色演色の原理は生物表面構造を光にフィードバックすることであり、それぞれの構造色は光学現象の産物です。生物の表面構造は多様であり、そのため、現れる色も多様です。

構造色には、薄膜干渉、回折効果、選択散乱の 3 種類があります。

生物の構造色は主に薄膜干渉によって生じます。薄膜干渉によって生成される色は、生物表面構造の層数と各層の構造形態に関係しています。層の数が多く構造が複雑になるほど、光が表面に当たったときに生じる反射光と放射光との干渉が顕著になり、表面に現れる構造色が明るくなります。

薄膜干渉情報源: Baidu 百科事典

回折効果によって生成される構造色は、主に生物表面の規則的な構造によって引き起こされるブラッグ回折効果から生じます。光が規則的な表面構造に遭遇すると、部分的に吸収され、残りの光は伝播方向を変え、屈折または反射し、その方向の光と重ね合わせて干渉することで、構造色という新しい光学効果が生成されます。

表面構造の模式図 ブラッグ回折 出典: Baidu 百科事典

不規則な生物表面構造は、光が当たると光を散乱させます。構造色を生成できる散乱は、通常、レイリー散乱またはミー散乱です。粒子サイズが可視光の波長よりも小さい場合、レイリー散乱が主に起こり、散乱色成分は主に青色になります。粒子の大きさが可視光の波長とほぼ等しいかそれより大きい場合、ミー散乱が発生し、散乱色は主に赤と緑になります。

構造色の適用は、特殊な色再現原理に基づいています。構造色には、清潔さや環境保護、色の固定が長持ちする、色の制御が可能など、多くの利点があります。人々はさまざまな手段を通じて物体の表面構造を制御し、特定の色で表示することができます。この種の技術は多くの分野で応用されてきました。

軍事分野では、各種装備に特殊な染料を吹き付けて特定の波長の光を吸収したり散乱させたりすることで、その装備をレーダーに映らなくすることができます。さらに、構造色を生み出す多層微多孔構造を駆使することで、カモフラージュ機能と通気性・断熱性を兼ね備えたスマートウェアラブルデバイスの製造も可能となります。

工業生産の分野では、表面構造を巧みに設計することで構造色繊維を作ることができます。このような繊維で織られた衣服は染色する必要がありません。これにより、生産時の染料廃水による環境への害を回避できると同時に、繰り返し洗濯しても衣類が色褪せるのを防ぐことができます。

冬季オリンピック記念コインの水平観察

冬季オリンピック記念コインの垂直観察 出典：インターネット

生命の分野でも構造色は広く利用されています。例えば、以前発行された冬季オリンピック記念紙幣は、ナノ微細構造を組み込むことで「緑の水と緑の山は金銀の山」という開発コンセプトを表現しました。この紙幣を横から見ると「緑の水と緑の山」が描かれ、縦から見ると「緑の水と緑の山」が「金銀の山」となる。この技術は紙幣の美的価値を高めるだけでなく、持続可能な開発の概念を紙幣に取り入れ、構造色の環境保護特性を十分に発揮させます。

さらに、科学誌「サイエンス・アドバンス」に掲載された研究によると、中米の研究チームが新しいタイプの構造色材料を開発したとのことで、将来的には交通分野で利用される可能性があるという。研究者たちは交差点をこの材料で覆う実験を行った。歩行者と運転者は観察角度が異なるため、受信する信号も異なり、別々の警告を発することができます。

自然が作り出す色彩は私たちをいつも驚かせてくれます。そして、私たちはこれらの色彩を一歩一歩探求しながら、自然の創造の魔法を常に学んでいます。この探究、学習、探究のプロセスで、私たちは世界に多くの華やかな色を加えてきました。