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藍莓是一種美味的水果，也是一種非常健康的食物，富含抗氧化劑和維生素。 但是你有沒有想過，為什麼藍莓是藍色的？ 他們的面板有什麼特別之處嗎？ 或者它們的表面有一些奇妙的結構？ 今天，我們來看看這個問題，看看物理學如何幫助我們解釋這種自然現象。
首先，讓我們明確一點，藍莓的皮中沒有藍色素。 事實上，他們的面板含有一種叫做花青素的物質，它的顏色是深紅色的，遠非藍色。 那麼，為什麼我們會看到藍色呢？ 這要歸功於藍莓的表面，這是它們的蠟層。
藍莓的蠟層由許多微小的晶體組成，這些晶體的形狀和排列是隨機和不規則的。 當光線照射到這些晶體時，它們會散射。 然而，並非所有的光線都會均勻散射，而是取決於光線的波長。 我們知道，可見光是由不同顏色的光線組成的，從紅色到紫色，波長遞減。 這些晶體的大小和形狀與藍色或紫外線的波長完全相同，因此它們對這些光線的散射最強，而對其他顏色的散射效果較差。 因此，當我們觀察藍莓時，我們主要看到的是從它們表面散射的藍色或紫外線，而不是它們面板內部的紅色色素。
這種現象稱為結構色，即顏色不是由物質本身的性質決定的，而是由物質的結構決定的。 結構色在自然界中很常見，如孔雀羽毛、蝴蝶翅膀，甚至彩虹，都是由結構色產生的。 結構色的特點是它們不會隨著物質的老化或損壞而改變，並且可以產生非常鮮豔的顏色，比顏料顏色更引人注目。 這對一些動物或植物很有用，因為它可以幫助它們吸引配偶，或警告敵人，或吸引傳粉者。 例如，藍莓的藍色可以吸引一些對藍光或紫外線敏感的鳥類，讓它們吃藍莓，然後把藍莓種子帶到其他地方幫助藍莓繁殖。
為了進一步了解藍莓結構色素產生的機理，在發表在Science Advances上的一篇論文中對藍莓表皮進行了詳細的光學和結構分析。
研究人員首先測量了它們表皮的反射光譜，發現它們都具有藍色或紫外線峰值，沒有其他顏色。 這表明它們的顏色是由結構色產生的，而不是由顏料產生的。 為了驗證這一點，研究人員用乙醇溶液去除了蠟層，發現它們都變成了深紅色或黑色。 研究人員還用顯微鏡觀察了表皮的地形，發現它們的蠟層由許多不規則的微小結構組成，大小從幾百奈米到幾微公尺不等，與可見光的波長相當。 這些結構的形狀和排列是隨機的，沒有明顯的週期性或對稱性。 這表明蠟的結構顏色是由無序結構產生的，而不是由有序結構產生的。
為了進一步了解蠟結構顏色的形成機理，研究人員採用數值模擬計算了蠟層的散射特性。 研究人員使用隨機球堆模型來模擬蠟層的結構，該模型假設蠟層由許多隨機分布的球形結構組成，這些球形結構的大小、位置和方向都是隨機的。 研究人員使用時域有限差分法（FDTD）求解了蠟層的散射場，然後使用散射矩陣法（SMM）計算了蠟層的反射光譜。
研究人員發現，當球形結構的尺寸為05 比 1在5 μm時，蠟層的反射光譜可以與實驗測量的光譜吻合較好，而當球形結構的尺寸超過2 μm時，蠟層的反射光譜會明顯偏差。 這表明蠟的結構顏色是由球形結構的散射引起的，球形結構的大小必須在合適的範圍內才能產生藍色或紫外線反射峰。
研究人員還利用散射理論方法分析了蠟層的散射機理，發現蠟層的散射主要由外形因子和結構因子兩部分組成。 形狀因子描述了單個球形結構的散射特性，而結構因子描述了球形結構之間的相干效應。
研究人員發現，形狀因子對蠟層散射的貢獻更大，而結構因子對蠟層散射的貢獻較小。 這意味著蠟層的散射主要由單個球形結構的散射決定，球形結構之間的相干效應可以忽略不計。 這與有序結構顏色的情況不同，由於有序結構的相干效應較強，往往需要考慮結構因素的影響。