Màu sắc ở lông công và tinh thể photonic

Từ năm 1730 Newton đã nhận xét màu sắc rực rỡ lấp lánh của lông công là do giao thoa quang học. Nhưng thật cụ thể là thế nào mãi đến mấy năm đầu thế kỷ XXI mới có lời giải đáp tường tận. Đó là nhờ các phương tiện quan sát, phân tích hiện đại như kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi điện tử truyền qua cộng với những hiểu biết mới về tinh thể photonic.

1. Cấu trúc đặc biệt của lông công

Vẻ đẹp đặc biệt của lông công chắc không phải do những chất màu gì đặc biệt mà là do cấu trúc tinh vi ở bên trong lông công. Ta thử xem các nhà khoa học đã tìm hiểu tỉ mỉ như thế nào.

Nhìn bằng mắt thường và hiển vi quang học ta thấy rõ giữa là cuống lông và rất nhiều lông con kết dính lại với nhau toả ra hai bên cuống. Màu sắc chủ yếu là ở các lông con này nên người ta đã dùng hiểu vi điện tử quét, với độ phóng đại lớn quan sát kỹ các lông con, thấy được mỗi lông con gồm nhiều đoạn nhỏ, mỗi đoạn kích thước cỡ 20 – 30 µm, hơi cong hình yên ngựa. Để thấy cấu trúc tinh vi hơn bên trong từng đoạn như vậy, người ta cắt một lát thật mỏng theo tiết diện ngang. Nhìn bằng hiển vi điện tử truyền qua lát cắt thật mỏng đó, thấy có nhiều hình như lưỡi liềm nằm hai bên đường gân nổi. Phóng đại to hơn nữa, thấy rõ ngay gần bề mặt có rất nhiều hạt, tiết diện hình tròn xếp gần khít nhau tạo thành những lớp gần như song song với mặt ngoài. Xem xét, đo đạc lỹ hơn ứng với từng màu thấy ở lông con màu xanh, tiết diện hình tròn có đường kính 130nm, cỡ 8 – 12 lớp, khoảng cách giữa hai lớp là 150 nm. Trong lúc đó ở lông con màu vàng, tiết diện hình tròn có đường kính 140 nm, có 3 – 6 lớp, khoảng cách giữa các lớp là 190 nm. Đối với các lông màu khác các kích thước, khoảng cách …. đều có khác nhau chút ít như vậy.

Nếu làm một lát cắt mỏng theo chiều dọc của đoạn lông trên, ta lại thấy có các tiết diện hạt dài, kích thước cỡ micromet nằm gần song song nhau nhưng không thật trật tự. Phối hợp phân tích các ảnh phóng đại lát cắt ngang, lát cắt dọc, có thể kết luận rằng ở sát bề mặt các lông con có các hạt nhỏ hình que, sắp xếp khác có trật tự theo kiểu các nguyên tử, phân tử sắp xếp trong tinh thể. Người ta gọi đây là tinh thể photonic. Phân tích thì thấy các hạt hình que tạo thành tinh thể photonic ở đây có cấu tạo từ chất melanin là chất có màu nâu đen.

Màu sắc của tinh thể photonic phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước giữa các hạt tạo thành tinh thể photonic là chính. Có thể xem khi ánh sáng trắng chiếu đến lông chim công tức là chiếu đến các tinh thể photonic ở gần bề mặt của lông. Mỗi hạt (hình que) trở thành một trung tâm tán xạ ánh sáng. Vì các hạt sắp xếp có trật tự nên tương tự như ở phản xạ Bragg (trong nhiễu xạ tia X) chỉ có một số bước sóng thoả mãn điều kiện phản xạ, do đó ta thấy màu sắc lấp lánh. Tính toán kỹ thì phải dựa vào lý thuyết về truyền sóng ánh sáng (photon) trong tinh thể photonic tương tự như lý thuyết về truyền sóng electron (điện tử) trong tinh thể thực.

Các nhà khoa học kiểm nghiệm đối với trường hợp lông công, kết quả rất đúng giữa lý thuyết và thực nghiệm.

2. Màu sắc cấu trúc và ứng dụng

Như vậy ta thấy màu sắc trong tự nhiên về nguyên tắc có thể phân ra hai kiểu tạo màu.

- Thông thường nhất là kiểu tạo màu do sắc tố. Thí dụ ta thấy lá cây màu xanh lục, đó là vì ở lá cây có chất diệp lục diệp tố, ánh sáng trắng chiếu đến, chất này hấp thụ hầu hết các bước sóng, chỉ ánh sáng có bước sóng màu xanh lục mới phản xạ. Vậy cơ chế tạo màu ở đây là cơ chế hấp thụ chọn lọc.

Đặc biệt hơn là kiểu tạo màu do cấu trúc. Thí dụ màu sắc ở lông công chủ yếu là do cấu trúc tuần hoàn của những hạt melanin hình que tạo thành tinh thể photonic. Ánh sáng trắng chiếu vào, tinh thể photonic chọn lọc cho phản xạ mạnh một bước sóng nhất định, nhờ đó lông công có màu sắc rực rỡ, lónh lánh. Việc chọn lọc cho phản xạ mạnh màu nào, tức là bước sóng nào, chủ yếu là do các thông số của tinh thể photonic (chu kỳ, khoảng cách giữa các hạt…). Màu sắc đặc biệt ở cánh bướm, ở một số loài rầy, ở loại cá… cũng là màu sắc do cấu trúc tạo nên.

Vì vậy để tạo màu không nhất thiết phải dùng phẩm màu theo kiểu sắc tố mà có thể tạo màu theo kiểu cấu trúc. Tuy nhiên để tạo màu cấu trúc phải tạo ra được cấu trúc tuần hoàn rất tinh vi vào cỡ nanomet, tức là phải vận dụng công nghệ nanô.

Hiện nay bắt đầu ứng dụng kiểu tạo màu cấu trúc cho các sợt dệt, từ đó làm ra quần áo, màu sắc lấp lánh rất thời trang. Đã có những kế hoạch dùng cách tạo màu cấu trúc để làm mỹ phẩm như son, phấn, lông mi giả, trang sức…. cực đẹp nhưng hoàn toàn không độc hại khi tiếp xúc với da. Còn trong kỹ thuật quang điện tử hiện đại, bắt chước cách tạo màu cấu trúc người ta làm các bộ lọc ánh sáng rất tinh vi. Có khi người ta phải dùng sản phẩm của tự nhiên như cánh ve, cánh bướm để làm khuôn tạo ra tinh thể photonic vì thiên nhiên tạo ra các tinh thể photonic này tinh vi khéo léo hơn nhiều so với con người.