藍(lán)莓是一種很美味的水果，也是一種很健康的食物，富含抗氧化劑和維生素。但你有沒有想過，藍(lán)莓為什么是藍(lán)色的？它們的皮里面有什么特殊的物質(zhì)嗎？或者是它們的表面有什么奇妙的結(jié)構(gòu)嗎？今天，我們就來探討一下這個(gè)問題，看看物理學(xué)如何幫助我們解釋這個(gè)自然現(xiàn)象。

首先，我們要明確一點(diǎn)，藍(lán)莓的皮里面并沒有藍(lán)色的色素。事實(shí)上，它們的皮里面含有的是一種叫做花青素的物質(zhì)，它的顏色是深紅色的，和藍(lán)色相差很遠(yuǎn)。那么，為什么我們看到的是藍(lán)色呢？這就要?dú)w功于藍(lán)莓的表面，也就是它們的蠟層。

藍(lán)莓的蠟層是由很多微小的晶體組成的，這些晶體的形狀和排列都是隨機(jī)的，沒有規(guī)律可循。當(dāng)光線照射到這些晶體上時(shí)，它們會(huì)發(fā)生散射。但是，并不是所有的光線都會(huì)被同樣地散射，而是取決于光線的波長。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，波長依次減小。而這些晶體的大小和形狀，正好和藍(lán)色或紫外光的波長相當(dāng)，所以它們對(duì)這些光線的散射效果最強(qiáng)，而對(duì)其他顏色的光線的散射效果較弱。因此，當(dāng)我們看到藍(lán)莓時(shí)，我們主要看到的是它們表面散射出來的藍(lán)色或紫外光，而不是它們皮里面的紅色色素。

這種現(xiàn)象，我們稱之為結(jié)構(gòu)色，也就是說，顏色不是由物質(zhì)本身的性質(zhì)決定的，而是由物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定的。結(jié)構(gòu)色在自然界中很常見，比如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，甚至彩虹，都是由結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)色的特點(diǎn)是，它不會(huì)隨著物質(zhì)的老化或損壞而改變，而且它可以產(chǎn)生很鮮艷的顏色，比色素色更加吸引眼球。這對(duì)于一些動(dòng)物或植物來說，是很有用的，因?yàn)樗梢詭椭鼈兾渑迹蛘呔鏀橙耍蛘呶齻鞣壅摺１热纾{(lán)莓的藍(lán)色，就可以吸引一些對(duì)藍(lán)色或紫外光敏感的鳥類，讓它們來吃藍(lán)莓，然后把藍(lán)莓的種子帶到別的地方，從而幫助藍(lán)莓的繁殖。

為了進(jìn)一步理解藍(lán)莓結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生機(jī)制，一篇發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》的論文對(duì)其表皮進(jìn)行詳細(xì)的光學(xué)和結(jié)構(gòu)分析。

研究人員首先對(duì)其表皮進(jìn)行了反射光譜的測量，發(fā)現(xiàn)它們的反射光譜都具有一個(gè)藍(lán)色或紫外的峰值，而沒有其他的顏色。這說明它們的顏色是由結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生的，而不是由色素產(chǎn)生的。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究人員用乙醇溶液去除了蠟層，發(fā)現(xiàn)它們的顏色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形貌，發(fā)現(xiàn)它們的蠟層由許多不規(guī)則的微小結(jié)構(gòu)組成，這些結(jié)構(gòu)的尺寸在幾百納米到幾微米之間，與可見光波長相當(dāng)。這些結(jié)構(gòu)的形狀和排列都是隨機(jī)的，沒有明顯的周期性或?qū)ΨQ性。這表明蠟的結(jié)構(gòu)色是由無序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，而不是由有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。

為了進(jìn)一步理解蠟的結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生機(jī)制，研究人員用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了蠟層的散射特性。研究人員用隨機(jī)球堆模型來模擬蠟層的結(jié)構(gòu)，即假設(shè)蠟層由許多隨機(jī)分布的球形結(jié)構(gòu)組成，這些球形結(jié)構(gòu)的大小、位置和方向都是隨機(jī)的。研究人員用有限差分時(shí)域法（FDTD）來求解蠟層的散射場，然后用散射矩陣法（SMM）來計(jì)算蠟層的反射光譜。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)球形結(jié)構(gòu)的大小在0.5到1.5微米之間時(shí)，蠟層的反射光譜可以很好地與實(shí)驗(yàn)測量的光譜相吻合，而當(dāng)球形結(jié)構(gòu)的大小超過2微米時(shí)，蠟層的反射光譜就會(huì)出現(xiàn)明顯的偏差。這說明蠟的結(jié)構(gòu)色是由球形結(jié)構(gòu)的散射引起的，而球形結(jié)構(gòu)的大小必須在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，才能產(chǎn)生藍(lán)色或紫外的反射峰。

研究人員還用散射理論的方法分析了蠟層的散射機(jī)制，發(fā)現(xiàn)蠟層的散射主要由形狀因子（form factor）和結(jié)構(gòu)因子（structure factor）兩個(gè)部分組成。形狀因子描述了單個(gè)球形結(jié)構(gòu)的散射特性，而結(jié)構(gòu)因子描述了球形結(jié)構(gòu)之間的相干效應(yīng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，形狀因子對(duì)蠟層的散射貢獻(xiàn)更大，而結(jié)構(gòu)因子對(duì)蠟層的散射貢獻(xiàn)較小。這意味著蠟層的散射主要由單個(gè)球形結(jié)構(gòu)的散射決定，而球形結(jié)構(gòu)之間的相干效應(yīng)可以忽略。這與有序結(jié)構(gòu)色的情況不同，有序結(jié)構(gòu)色通常需要考慮結(jié)構(gòu)因子的影響，因?yàn)橛行蚪Y(jié)構(gòu)的相干效應(yīng)很強(qiáng)。