Màu xanh rực của bướm Morpho không đến từ chất màu nào. Cánh bướm thực ra mang sắc nâu, nhưng các vảy li ti trên đó có cấu trúc nhiều lớp mỏng cỡ trăm nanomet, làm ánh sáng xanh dội lại và cộng hưởng với nhau trong khi các màu khác triệt tiêu. Đó gọi là màu cấu trúc: màu sinh ra từ hình dạng chứ không từ hoá chất. Nó không phai, đổi sắc theo góc nhìn, và đang được bắt chước để làm vật liệu đổi màu, cảm biến và lớp chống giả.
Hai cách để một vật có màu
Quả gấc đỏ, lá cây xanh, mực bút bi tím — tất cả đều có màu nhờ sắc tố: phân tử hấp thụ một số màu của ánh sáng trắng, phần còn lại dội về mắt. Sắc tố bị nắng làm phai theo thời gian, vì phân tử bị phá vỡ dần.
Màu cấu trúc đi đường khác. Vật liệu có thể gần như không màu, nhưng có các lớp, rãnh, hạt sắp xếp đều đặn với khoảng cách cỡ bước sóng ánh sáng. Ánh sáng dội từ các lớp khác nhau gặp lại nhau: ở một số màu, các sóng cùng nhịp nên cộng lại thành sáng rực; ở màu khác, chúng lệch nhịp nên triệt tiêu. Đây là giao thoa — hiện tượng làm bong bóng xà phòng, váng dầu trên mặt nước và mặt đĩa CD lấp lánh sắc cầu vồng.
| Đặc điểm | Màu sắc tố | Màu cấu trúc |
|---|---|---|
| Nguồn gốc | Phân tử hấp thụ một phần ánh sáng | Cấu trúc nano làm ánh sáng giao thoa, tán xạ |
| Theo góc nhìn | Gần như không đổi | Thường đổi sắc (óng ánh) |
| Theo thời gian | Phai dưới nắng | Bền nếu cấu trúc còn nguyên |
| Khi nghiền nát | Bột vẫn giữ màu | Mất màu, thành xám hoặc nâu |
| Ví dụ | Lá cây, cà rốt, tóc | Bướm Morpho, lông công, bọ cánh cứng óng ánh |
Bên trong vảy cánh Morpho
Bướm Morpho sống ở rừng nhiệt đới Trung và Nam Mỹ, sải cánh nhiều loài lớn hơn bàn tay. Ở nhiều loài, mặt trên cánh con đực xanh lam ánh kim, mặt dưới nâu xỉn có các đốm hình mắt.
Dưới kính hiển vi điện tử, mỗi vảy trên mặt trên cánh có những gờ dọc song song. Cắt ngang một gờ, ta thấy hình như cây thông Noel: một thân giữa với các "cành" nằm ngang xếp tầng, mỗi cành mỏng cỡ một phần mười micromet, xen giữa là không khí. Chất làm nên vảy là kitin, gần như không màu. Nhưng khoảng cách các tầng được "chỉnh" đúng để ánh sáng xanh lam dội từ các tầng cộng hưởng mạnh. Dưới vảy còn có lớp sắc tố nâu sẫm hấp thụ phần ánh sáng lọt qua, làm màu xanh nổi bật hơn.
Điều thú vị là các cành của mỗi gờ không thẳng hàng hoàn toàn với gờ bên cạnh, và độ cao các gờ hơi khác nhau. Sự lộn xộn nhỏ này làm màu xanh của Morpho đổi sắc ít hơn khi nghiêng cánh so với một màng mỏng đều đặn, nên nhìn từ nhiều góc vẫn thấy xanh — một sự cân bằng tinh tế mà các kỹ sư mất nhiều năm mới bắt chước được.
Thí nghiệm nhỏ dễ thấy
Nếu nhỏ một giọt cồn lên cánh Morpho mẫu, màu xanh chuyển sang xanh lục, rồi trở lại xanh lam khi cồn bay hơi. Lý do: cồn lấp vào khe không khí giữa các tầng, đổi chiết suất, làm màu cộng hưởng dịch đi. Chính hiện tượng này đã được các nhà nghiên cứu ở GE Global Research khai thác: năm 2007, họ công bố trên Nature Photonics rằng vảy Morpho phản ứng khác nhau với các loại hơi khác nhau, có thể dùng làm cảm biến hơi.
Những màu cấu trúc khác trong thiên nhiên
- Lông công: các thanh sắc tố melanin xếp thành mạng đều đặn trong sợi lông nhỏ. Khoảng cách các thanh khác nhau cho ra xanh lam, xanh lục, vàng, nâu. Robert Hooke trong Micrographia (1665) và Isaac Newton trong Quang học (1704) đã nhận xét rằng màu lông công không giống màu thuốc nhuộm.
- Màu xanh của chim: hầu như không loài chim nào có sắc tố xanh lam. Màu xanh trên lông chim bói cá, chim giẻ cùi đều là màu cấu trúc, từ những bọt khí nano trong sợi lông. Nghiền nát lông, màu xanh biến mất.
- Quả Pollia condensata ở châu Phi: năm 2012, nhóm của Silvia Vignolini công bố rằng quả nhỏ này có màu xanh rực nhờ các lớp xenluloza xoắn, và mẫu lưu trữ trong tiêu bản hàng chục năm vẫn giữ màu. Quả không có thịt ngọt — có lẽ nó "lừa" chim bằng màu đẹp.
- Bọ cánh cứng trắng Cyphochilus: ngược lại với màu óng ánh, vảy của nó chứa mạng sợi kitin rối, tán xạ mọi màu như nhau nên trắng tinh dù rất mỏng.
- Đá opal: các hạt silica tròn xếp đều tạo nên những đốm lửa màu đổi theo góc nhìn.
Tắc kè hoa đổi màu bằng cấu trúc
Năm 2015, nhóm của Michel Milinkovitch (Đại học Geneva) công bố trên Nature Communications rằng tắc kè hoa đổi từ xanh lục sang vàng cam chủ yếu nhờ tinh thể nano guanin trong một lớp tế bào da. Khi con vật kích động, khoảng cách giữa các tinh thể giãn ra, màu phản xạ dịch từ xanh lam về đỏ, trộn với lớp sắc tố vàng phía trên. Đây là màu cấu trúc có thể "vặn" được.
Lưu ý một ngộ nhận: tắc kè hoa không đổi màu chủ yếu để hoà vào nền. Theo các nghiên cứu, việc đổi màu chủ yếu phục vụ giao tiếp (khoe với bạn tình, doạ đối thủ) và điều chỉnh thân nhiệt.
Từ cánh bướm đến vật liệu
Màu cấu trúc hấp dẫn kỹ sư vì ba lẽ: không cần thuốc nhuộm độc hại, không phai, và có thể thay đổi bằng cách tác động lên cấu trúc. Những hướng đã và đang phát triển:
- Chống giả: hình ba chiều và mực đổi màu theo góc trên giấy tờ có giá trị dùng nguyên lý giao thoa màng mỏng.
- Màn hình phản xạ: Qualcomm từng thương mại hoá màn hình Mirasol (đầu thập niên 2010) dựa trên giao thoa giữa hai lớp mỏng điều chỉnh được khoảng cách, đọc được dưới nắng mà ít tốn điện. Sản phẩm sau đó ngừng phát triển, nhưng ý tưởng vẫn được nghiên cứu.
- Sơn và vải không phai: các nhóm nghiên cứu đã làm lớp phủ từ hạt nano tự xếp, cho màu như lông chim.
- Vật liệu đổi màu theo nhiệt, lực kéo, độ ẩm: tấm gel có cấu trúc giãn nở, đổi màu khi bị kéo, dùng làm cảm biến biến dạng.
Liên quan gì tới tàng hình
Màu cấu trúc cho thấy một ý cốt lõi của mọi nghiên cứu tàng hình: hình dạng ở quy mô nano quyết định cách ánh sáng hành xử. Cùng một chất kitin, xếp kiểu này cho xanh rực, xếp kiểu khác cho trắng tinh. Siêu vật liệu chỉ đẩy ý tưởng ấy xa hơn, để thiết kế cách ánh sáng đi vòng thay vì dội lại. Vật liệu đổi màu theo nền thì mới là nguỵ trang — làm vật khó phân biệt với nền — chứ chưa phải làm ánh sáng xuyên qua.
Góc nhìn hôm nay: xem ở đâu, thử gì
Nhiều bảo tàng lịch sử tự nhiên, như Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên London hay Viện Smithsonian, có tủ trưng bày bướm Morpho và bọ cánh cứng óng ánh — hãy nghiêng đầu khi xem để thấy màu đổi. Tại nhà, có thể quan sát màu giao thoa trên bong bóng xà phòng, váng dầu trên vũng nước, mặt đĩa CD cũ, hoặc chiếc lông công dưới kính lúp. Nếu tìm được một chiếc lông chim màu xanh rơi ngoài vườn, so sánh màu của nó dưới ánh sáng chiếu thẳng và ánh sáng xuyên từ phía sau: màu cấu trúc thường biến mất khi nhìn xuyên.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cánh bướm Morpho có màu xanh?
Vì vảy cánh có các gờ xếp tầng mỏng cỡ trăm nanomet, làm ánh sáng xanh lam dội từ các tầng cộng hưởng với nhau. Bản thân chất làm vảy gần như không màu; đây là màu cấu trúc, không phải sắc tố.
Màu cấu trúc là gì?
Là màu sinh ra do cấu trúc nhỏ cỡ bước sóng ánh sáng làm ánh sáng giao thoa hoặc tán xạ, thay vì do chất màu hấp thụ. Nó thường óng ánh, đổi theo góc nhìn và không phai.
Có loài chim nào có lông màu xanh dương thật không?
Hầu như không có loài chim nào mang sắc tố xanh lam. Màu xanh trên lông chim là màu cấu trúc do các bọt khí nano trong sợi lông; nghiền nát lông thì màu xanh biến mất.
Tắc kè hoa đổi màu bằng cách nào?
Chủ yếu bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các tinh thể nano guanin trong da, làm màu phản xạ dịch đi, như nhóm Đại học Geneva công bố năm 2015. Việc đổi màu chủ yếu để giao tiếp và điều nhiệt, không chủ yếu để hoà vào nền.
Màu cấu trúc được ứng dụng vào đâu?
Vào hình ba chiều và mực chống giả, màn hình phản xạ ít tốn điện, sơn không phai, cảm biến hơi và cảm biến biến dạng. Nhiều hướng vẫn đang trong phòng thí nghiệm.
