Màu cấu trúc là màu không đến từ sắc tố mà từ những cấu trúc siêu nhỏ, cỡ bằng hoặc nhỏ hơn bước sóng ánh sáng, làm các sóng ánh sáng giao thoa và tăng cường một số màu. Cánh bướm Morpho xanh óng như kim loại, bong bóng xà phòng ngũ sắc, váng dầu trên mặt đường, lông chim giẻ cùi xanh đều có màu theo cách này. Đặc trưng dễ nhận nhất là màu thay đổi khi nghiêng nhìn và không phai theo thời gian như thuốc nhuộm.
Giao thoa: khi hai sóng sáng gặp nhau
Ánh sáng là sóng. Khi hai sóng cùng bước sóng gặp nhau mà đỉnh trùng đỉnh, chúng cộng lại làm màu đó sáng lên; khi đỉnh gặp đáy, chúng triệt tiêu làm màu đó tối đi. Nếu một bề mặt có nhiều lớp mỏng xếp chồng, ánh sáng phản xạ từ lớp trên và lớp dưới đi những quãng đường hơi khác nhau. Với một độ dày nhất định, chỉ một số bước sóng được cộng hưởng, những bước sóng khác bị triệt tiêu. Màu ta thấy là màu được cộng hưởng.
Vì quãng đường chênh lệch phụ thuộc vào góc nhìn, nghiêng đi một chút là màu đổi. Hiện tượng này gọi là ánh óng (iridescence).
Bong bóng xà phòng và váng dầu
Thành bong bóng xà phòng là một màng nước kẹp giữa hai lớp xà phòng, dày chỉ vài trăm nanomet. Ánh sáng phản xạ ở mặt ngoài và mặt trong màng giao thoa với nhau. Chỗ màng dày một mức, màu lục được cộng hưởng; chỗ dày mức khác, màu hồng tím nổi lên. Vì nước luôn chảy dồn xuống dưới do trọng lực, màng mỏng dần ở trên, dày dần ở dưới, tạo những dải màu cuộn chảy liên tục. Ngay trước khi vỡ, phần đỉnh bong bóng mỏng tới mức không còn cộng hưởng màu nào, trông như một mảng đen trong suốt.
Váng dầu trên vũng nước ngoài đường hoạt động y hệt: lớp dầu mỏng nổi trên nước tạo màu cầu vồng loang lổ. Màu ở đây khác thứ tự cầu vồng thật, vì cơ chế là giao thoa chứ không phải khúc xạ.
Bướm Morpho: màu xanh không có sắc tố xanh
Bướm Morpho sống ở rừng nhiệt đới Trung và Nam Mỹ, nổi tiếng với đôi cánh xanh lam rực như kim loại, có thể thấy từ khoảng cách xa trong rừng. Điều đáng ngạc nhiên: vảy cánh của chúng gần như không có sắc tố xanh. Dưới kính hiển vi điện tử, mỗi vảy có những gờ nhỏ, trên mỗi gờ là các phiến mỏng xếp tầng như cành cây thông. Khoảng cách giữa các phiến vừa đúng để cộng hưởng ánh sáng xanh lam.
Một thí nghiệm được các nhà khoa học mô tả: nhỏ một chất lỏng trong suốt có chiết suất phù hợp lên cánh Morpho, lấp đầy khoảng trống giữa các phiến, màu xanh biến mất hoặc đổi sang màu khác; khi chất lỏng bay hơi, màu xanh trở lại. Điều đó chứng minh màu nằm ở cấu trúc chứ không ở hoá chất. Vì không có sắc tố để phai, mẫu bướm Morpho trong bảo tàng hàng trăm năm vẫn giữ màu.
Những màu cấu trúc khác trong tự nhiên
| Ví dụ | Cấu trúc tạo màu | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Lông chim giẻ cùi xanh, chim bói cá | Bọt keratin xốp li ti trong lông | Màu xanh không đổi nhiều khi nghiêng; nghiền lông ra bột thì mất màu xanh |
| Lông cổ bồ câu, lông đuôi công | Các lớp melanin xếp đều trong lông | Óng ánh, đổi màu theo góc |
| Đá opal | Hạt silica tròn xếp lưới đều | Đốm màu loé lên khi xoay |
| Bọ cánh cứng óng ánh | Lớp vỏ nhiều tầng mỏng | Màu kim loại, có loài phản xạ phân cực tròn |
| Quả cây Pollia condensata ở châu Phi | Thành tế bào xếp xoắn nhiều lớp | Xanh lam rực, giữ màu sau nhiều năm khô |
Quả Pollia condensata là một trường hợp nổi tiếng: một nghiên cứu năm 2012 cho thấy màu xanh của nó là màu cấu trúc, và mẫu quả khô cất giữ trong bộ sưu tập thực vật nhiều chục năm vẫn còn xanh rực. Lông chim xanh dương là ví dụ gần gũi: hầu như không loài chim nào có sắc tố xanh lam thật; màu xanh của chim bói cá, chim trả ở Việt Nam đến từ cấu trúc lông.
Phân biệt màu cấu trúc và màu sắc tố
- Nghiêng nhìn: màu cấu trúc óng ánh thường đổi màu theo góc, màu sắc tố thì không.
- Làm ướt: nhiều màu cấu trúc nhạt đi hoặc đổi khi thấm chất lỏng lấp vào cấu trúc.
- Nghiền nhỏ: phá cấu trúc thì mất màu, trong khi bột sắc tố vẫn giữ màu.
- Thời gian: màu cấu trúc không phai vì nắng, còn nhiều thuốc nhuộm bạc màu theo năm tháng.
Con người học theo màu cấu trúc
Từ lâu con người đã dùng màu cấu trúc mà không biết: xà cừ khảm trên đồ gỗ, sơn mài Việt Nam có khảm vỏ trai, vỏ ốc, những mảnh xà cừ ánh hồng xanh óng chính là màu cấu trúc từ các lớp xà cừ mỏng trong vỏ. Ngày nay, các lớp phủ chống chói trên mắt kính, tem chống giả trên giấy tờ, mặt đĩa quang, vải và sơn đổi màu đều dựa trên giao thoa hoặc nhiễu xạ. Các nhóm nghiên cứu vật liệu đang tìm cách tạo màu cấu trúc cho sơn, vải, mỹ phẩm để thay thế một phần thuốc nhuộm, với ưu điểm không phai và có thể không cần hoá chất tạo màu.
Góc nhìn hôm nay: quan sát quanh nhà
Thổi bong bóng xà phòng trong bóng râm, nền tối phía sau, và quan sát các dải màu chảy. Nhỏ một giọt dầu ăn lên mặt nước trong khay đen để thấy váng màu. Tìm một chiếc lông chim bồ câu, nghiêng dưới ánh đèn để thấy cổ lông đổi từ lục sang tím. Nếu có dịp tới các bảo tàng thiên nhiên hay khu bảo tồn bướm, hãy để ý cánh bướm thay màu khi bạn bước sang một bên. Mỗi lần màu đổi theo góc nhìn, đó là dấu hiệu của màu cấu trúc.
Câu hỏi thường gặp
Màu cấu trúc là gì?
Là màu tạo ra bởi cấu trúc siêu nhỏ trên bề mặt vật, làm ánh sáng giao thoa hoặc tán xạ có chọn lọc, chứ không phải do sắc tố. Cánh bướm Morpho và bong bóng xà phòng là ví dụ tiêu biểu.
Vì sao bong bóng xà phòng có nhiều màu?
Màng xà phòng rất mỏng, ánh sáng phản xạ ở hai mặt màng giao thoa với nhau. Độ dày màng thay đổi liên tục nên màu được cộng hưởng cũng thay đổi, tạo các dải màu chảy.
Cánh bướm Morpho có sắc tố xanh không?
Hầu như không. Màu xanh đến từ các phiến mỏng xếp tầng trên vảy cánh, khoảng cách vừa đủ để cộng hưởng ánh xanh lam. Vì vậy màu không phai sau nhiều năm.
Vì sao chim bói cá có màu xanh dù không có sắc tố xanh?
Lông chim chứa cấu trúc keratin xốp li ti tán xạ chọn lọc ánh xanh lam. Hầu hết chim có màu xanh dương đều nhờ cấu trúc lông chứ không phải sắc tố.