科普：生物光子晶體的 “光子帶隙” 是什么意思？愛

1.光子晶體：光的精密迷宮

*生物光子晶體（比如孔雀羽毛、閃蝶翅膀、某些甲蟲外殼內(nèi)部的奇妙結(jié)構(gòu)），是由生物體自身產(chǎn)生的納米級(jí)材料（比如蛋白質(zhì)、甲殼素）周期性排列形成的結(jié)構(gòu)。想象一下，這些微小結(jié)構(gòu)像無數(shù)個(gè)極其微小的、排列極其規(guī)則的“積木塊”或“小珠子”，一層一層、一格一格地堆疊起來，形成了一種天然的、極其精密的“晶體”結(jié)構(gòu)，只不過這個(gè)晶體不是用來導(dǎo)電的，而是用來操縱光的。

*這種周期性排列的尺度，正好和可見光的波長(zhǎng)（幾百納米）是同一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.光子帶隙：光的“禁行區(qū)”

*“光子帶隙”就是這個(gè)精密光迷宮的核心特性。你可以把它理解成這把“光篩子”上的特定大小的孔洞被堵死了。

*光是一種電磁波，不同顏色的光有不同的波長(zhǎng)（比如紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)，藍(lán)光波長(zhǎng)短）。當(dāng)光波試圖穿過這個(gè)周期性排列的“迷宮”時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用（主要是散射和干涉）。

*關(guān)鍵點(diǎn)來了：對(duì)于某些特定波長(zhǎng)范圍（也就是特定顏色范圍）的光來說，它們?cè)诿詫m里的遭遇是這樣的：

*被“攔路打劫”（強(qiáng)布拉格散射）：這些特定波長(zhǎng)的光，在周期性結(jié)構(gòu)中前進(jìn)時(shí)，會(huì)遇到無數(shù)個(gè)排列規(guī)則的“障礙物”。這些障礙物對(duì)光的散射作用非常強(qiáng)，并且散射波之間會(huì)相互抵消（相消干涉）。

*無法通行（禁帶）：這種強(qiáng)烈的散射和相互抵消的結(jié)果，使得這些特定波長(zhǎng)的光根本無法有效地在這個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播。它們要么被強(qiáng)烈反射回去，要么被阻擋在外面進(jìn)不來（取決于光的方向）。這個(gè)特定波長(zhǎng)范圍，就是光子帶隙——光在這個(gè)結(jié)構(gòu)里被禁止傳播的“禁行區(qū)”或“禁區(qū)”。

*而不在這個(gè)禁行區(qū)（帶隙外）的其他波長(zhǎng)的光，則可以相對(duì)順利地穿過這個(gè)結(jié)構(gòu)，或者傳播路徑受到的影響較小。

3.生物上的神奇效果：結(jié)構(gòu)色

*這就是為什么我們看到孔雀羽毛、閃蝶翅膀呈現(xiàn)出極其鮮艷、閃耀、甚至隨角度變化的金屬光澤或虹彩的原因！

*當(dāng)白光（包含所有顏色）照射到這些生物光子晶體上時(shí)，恰好落在光子帶隙范圍內(nèi)的那些顏色（比如藍(lán)光、綠光）被強(qiáng)烈地反射回來，進(jìn)入我們的眼睛。而其他顏色的光則可能被吸收或者透射過去。

*這種顏色不是來自化學(xué)色素（像顏料那樣吸收某些光反射另一些光），而是純粹由物理結(jié)構(gòu)對(duì)光的操縱產(chǎn)生的，因此被稱為結(jié)構(gòu)色。它通常更鮮艷、更持久、并且具有方向性。