蓝莓的蓝色是假的？一个由无序结构产生的结构色

蓝莓是一种很美味的水果，也是一种很健康的食物，富含抗氧化剂和维生素。但你有没有想过，蓝莓为什么是蓝色的？它们的皮里面有什么特殊的物质吗？或者是它们的表面有什么奇妙的结构吗？今天，我们就来探讨一下这个问题，看看物理学如何帮助我们解释这个自然现象。

首先，我们要明确一点，蓝莓的皮里面并没有蓝色的色素。事实上，它们的皮里面含有的是一种叫做花青素的物质，它的颜色是深红色的，和蓝色相差很远。那么，为什么我们看到的是蓝色呢？这就要归功于蓝莓的表面，也就是它们的蜡层。

蓝莓的蜡层是由很多微小的晶体组成的，这些晶体的形状和排列都是随机的，没有规律可循。当光线照射到这些晶体上时，它们会发生散射。但是，并不是所有的光线都会被同样地散射，而是取决于光线的波长。我们知道，可见光是由不同颜色的光线组成的，从红色到紫色，波长依次减小。而这些晶体的大小和形状，正好和蓝色或紫外光的波长相当，所以它们对这些光线的散射效果最强，而对其他颜色的光线的散射效果较弱。因此，当我们看到蓝莓时，我们主要看到的是它们表面散射出来的蓝色或紫外光，而不是它们皮里面的红色色素。

这种现象，我们称之为结构色，也就是说，颜色不是由物质本身的性质决定的，而是由物质的结构决定的。结构色在自然界中很常见，比如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，甚至彩虹，都是由结构色产生的。结构色的特点是，它不会随着物质的老化或损坏而改变，而且它可以产生很鲜艳的颜色，比色素色更加吸引眼球。这对于一些动物或植物来说，是很有用的，因为它可以帮助它们吸引配偶，或者警告敌人，或者吸引传粉者。比如，蓝莓的蓝色，就可以吸引一些对蓝色或紫外光敏感的鸟类，让它们来吃蓝莓，然后把蓝莓的种子带到别的地方，从而帮助蓝莓的繁殖。

为了进一步理解蓝莓结构色的产生机制，一篇发表在《科学进展》的论文对其表皮进行详细的光学和结构分析。

研究人员首先对其表皮进行了反射光谱的测量，发现它们的反射光谱都具有一个蓝色或紫外的峰值，而没有其他的颜色。这说明它们的颜色是由结构色产生的，而不是由色素产生的。为了验证这一点，研究人员用乙醇溶液去除了蜡层，发现它们的颜色都变成了深红色或黑色。研究人员还用显微镜观察了表皮的形貌，发现它们的蜡层由许多不规则的微小结构组成，这些结构的尺寸在几百纳米到几微米之间，与可见光波长相当。这些结构的形状和排列都是随机的，没有明显的周期性或对称性。这表明蜡的结构色是由无序结构产生的，而不是由有序结构产生的。

为了进一步理解蜡的结构色的产生机制，研究人员用数值模拟的方法计算了蜡层的散射特性。研究人员用随机球堆模型来模拟蜡层的结构，即假设蜡层由许多随机分布的球形结构组成，这些球形结构的大小、位置和方向都是随机的。研究人员用有限差分时域法（FDTD）来求解蜡层的散射场，然后用散射矩阵法（SMM）来计算蜡层的反射光谱。

研究人员发现，当球形结构的大小在0.5到1.5微米之间时，蜡层的反射光谱可以很好地与实验测量的光谱相吻合，而当球形结构的大小超过2微米时，蜡层的反射光谱就会出现明显的偏差。这说明蜡的结构色是由球形结构的散射引起的，而球形结构的大小必须在一个合适的范围内，才能产生蓝色或紫外的反射峰。

研究人员还用散射理论的方法分析了蜡层的散射机制，发现蜡层的散射主要由形状因子（form factor）和结构因子（structure factor）两个部分组成。形状因子描述了单个球形结构的散射特性，而结构因子描述了球形结构之间的相干效应。

研究人员发现，形状因子对蜡层的散射贡献更大，而结构因子对蜡层的散射贡献较小。这意味着蜡层的散射主要由单个球形结构的散射决定，而球形结构之间的相干效应可以忽略。这与有序结构色的情况不同，有序结构色通常需要考虑结构因子的影响，因为有序结构的相干效应很强。