Structural Colors in the Realm of Nature pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Shuichi Kinoshita

出品人:

页数:368

译者:

出版时间:2008-10

价格:875.00元

装帧:

isbn号码:9789812707833

丛书系列:

图书标签:

科普
Structural Color
Biomimicry
Optics
Physics
Materials Science
Nanotechnology
Nature
Color Science
Iridescence
Photonic Crystals

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具体描述

Structural colorations originate from self-organized microstructures, which interact with light in a complex way to produce brilliant colors seen everywhere in nature. Research in this field is extremely new and has been rapidly growing in the last 10 years, because the elaborate structures created in nature can now be fabricated through various types of nanotechnologies. Indeed, a fundamental book covering this field from biological, physical, and engineering viewpoints has long been expected.

Coloring in nature comes mostly from inherent colors of materials, though it sometimes has a purely physical origin such as diffraction or interference of light. The latter, called structural color or iridescence, has long been a problem of scientific interest. Recently, structural colors have attracted great interest because various photonic architectures, now developing in modern technologies, have been spontaneously created in the self-organization process and have been extensively used as one of the important visual functions. In this book, the fundamental optical properties underlying structural colors are explained, and these mysteries of nature are surveyed from the viewpoint of biological diversity and according to their sophisticated structures. The book proposes a general principle of structural colors based on the structural hierarchy and presents up-to-date applications.

Contents:Introduction; Fundamentals of Structural Coloration; Butterflies and Moths; Beetles and Other Insects; Birds; Fish; Plants; Miscellaneous; Mathematical Background.

蓝蝶之翼，孔雀之屏：自然界中的结构色及其奥秘一本关于自然界中光线与物质相互作用的视觉盛宴与科学探索之旅本书旨在深入剖析自然界中那些令人惊叹的、非色素来源的色彩现象——即“结构色”。不同于依赖化学色素吸收和反射特定波长光线的物体，结构色是通过光的物理干涉、衍射、散射等现象在微观尺度上产生的。这种色彩不仅具有无与伦比的鲜艳度和金属光泽，其背后更蕴含着精妙的生物物理学原理与材料科学的深刻洞见。第一部分：色彩的错觉——结构色的基本原理我们将从光的本质和与物质的相互作用这一基础概念入手。清晰阐述经典光学理论如何解释结构色。 1.1 光的本性与视觉感知：探讨电磁波谱中可见光的部分，以及人眼如何解析不同波长的光线，构建我们对色彩的认知。在此基础上，区分色素色（化学色）与结构色（物理色）的根本差异。 1.2 结构色的物理学基石：深入解析产生结构色的三种主要物理机制：薄膜干涉（Thin-Film Interference）：类似于肥皂泡或石油在水面上的彩虹光晕。详细介绍光波在具有特定厚度界面的反射与透射过程中，波峰与波谷的相遇所导致的相长干涉（增强亮色）或相消干涉（产生暗色）。我们将讨论这种机制在某些甲虫和蝴蝶翅膀上的实际应用。衍射（Diffraction）：探讨光线绕过障碍物边缘时发生的弯曲现象，特别是当障碍物形成规则的周期性结构（如光栅）时，光被分散到不同方向，形成光谱。重点分析蝴蝶翅膀上纳米级排列的晶格结构如何充当天然的光栅。瑞利散射与米氏散射（Rayleigh and Mie Scattering）：阐释为何天空呈蓝色，以及微小颗粒（如烟尘或极小的结构）如何选择性地散射短波长光线。我们将特别关注瑞利散射在鸽子羽毛或特定鸟类蓝色的形成中所扮演的角色。 1.3 结构色的独特性质：结构色与色素色最大的不同在于其对视角和光照角度的敏感性，即“闪烁效应”或“变色龙效应”。我们会用严格的物理模型来解释这种角度依赖性，并探讨在生物体中，这种动态色彩变化是如何被利用的。第二部分：自然界的调色板——结构色的生物学实例本部分将带领读者穿越生物界，细致观察和分类自然界中结构色最引人注目的应用者。 2.1 昆虫：流动的宝石蝴蝶的翅膀：详尽考察鳞翅目昆虫翅膀上微小的“树枝状”或“晶格状”的纳米结构。以著名的蓝闪蝶（如 Morpho 属）为例，分析其高度有序的、类似圣诞树结构的纳米腔体如何实现极端高效的蓝光反射，即便在光线微弱的环境下也能保持亮丽。甲虫的外骨骼：探讨鞘翅目昆虫，如某些婪祸金龟子或叶甲，其虹彩光泽的产生机制。这些结构通常更为复杂，涉及多层膜结构（Bragg反射器）或周期性的光子晶体结构，使其呈现出从绿到金、再到红的连续变化光谱。 2.2 鸟类：羽毛的工程奇迹孔雀的尾屏：深入解构孔雀羽毛上被称为“眼睛斑”的微观结构。这些结构不仅仅是简单的反射器，而是复杂的、具有三维组织的“光子晶体”，能够精确控制反射光的相位和偏振特性。蜂鸟的“闪光”：分析蜂鸟羽毛中空气和角蛋白交替的扁平结构，这些结构在不同角度下产生强烈的闪烁效果，这与其求偶和领地防御行为息息相关。 2.3 其他生命形式中的结构色海洋生物的伪装与信号：探讨某些鱼类（如鲱鱼）和头足类（如乌贼、章鱼）的皮肤中是否存在基于结构色的动态变化。尽管许多海洋生物依赖色素细胞，但光子的散射和干涉在某些具有虹彩表面的物种中同样重要。矿物与岩石的结构光泽：虽然不是生物学范畴，但为了全面理解结构色，我们将简要触及自然界中由矿物晶体结构产生的虹彩现象，如蛋白石（Opal）的光子晶格效应。第三部分：结构色的功能与进化意义色彩在自然界中绝非偶然，结构色作为一种高效、低能耗的色彩表达方式，在生物体的生存策略中扮演了关键角色。 3.1 信号传递与交流：结构色由于其高可见度和不易褪色的特性，成为物种间交流的理想媒介。我们讨论其在求偶展示中的作用——雄性如何利用更复杂、更完美的结构色来吸引配偶，以及这种色彩的“诚实信号”属性（即只有健康个体才能构建出完美的纳米结构）。 3.2 伪装与反捕食策略：结构色并非总是用于炫耀。在某些情况下，角度依赖的闪烁可以帮助动物融入背景（如变色龙效应），或在光线变化时瞬间“消失”。反之，强烈的结构色也可能作为一种警戒色，向捕食者发出“有毒”或“难以下咽”的警告。 3.3 热调节与光学防护：探讨结构色在维持体温平衡中的潜在作用。例如，某些颜色反射了过多的近红外辐射，帮助动物在高热环境下保持凉爽。此外，对特定波段光线的选择性反射也可能起到保护敏感组织免受紫外线损伤的作用。第四部分：仿生学的未来——从自然到工程结构色的研究价值不仅在于解释自然之美，更在于其为人类工程学提供了无与伦比的灵感蓝图。 4.1 结构色的制造挑战：强调自然界是如何在常温常压下，通过自组装等温和过程，精确“打印”出纳米级的周期性结构，这是当前高端制造技术面临的巨大挑战。 4.2 仿生光子器件：详细介绍基于自然界结构色原理开发的新一代技术：无色墨水与颜料：开发不含化学染料、仅依靠结构就能产生颜色的环保型油墨、涂料和塑料。这些颜料的优势在于永不褪色，且可以实现对特定颜色和偏振光的精确控制。高效光学元件：利用仿生光栅和光子晶体原理，设计出更薄、更轻、效率更高的光纤、滤波器和传感器。例如，模仿蝶翅结构制造的偏振敏感传感器。智能显示技术：探索利用电湿润或电润湿效应来动态改变纳米结构周期，从而实现低功耗、高对比度的电子墨水屏或新型显示器。结语：《自然界中的结构色》不仅仅是一本科普读物，它是一座连接生物学、物理学和材料科学的桥梁。通过探索那些闪烁的羽毛、炫目的鳞片和斑斓的翅膀，我们得以一窥自然界无与伦比的纳米级工程智慧，并展望人类如何将这些古老的物理原理转化为未来的高科技应用。本书图文并茂，力求让读者在领略自然之美的同时，掌握结构色背后的严谨科学逻辑。