我们生活在一个五彩缤纷的世界里，自然界的颜色一部分是由于染料分子吸收特定波段光波而形成（染料色），而另一部分因为有序物理结构导致的光波干涉而形成（结构色）。一般来说，结构色往往具有染料色很多无法匹及的优点，如不易褪色，节能环保，颜色易调控，特殊的光学效应等。生物界中，很多动植物，如鸟、蝴蝶、甲虫和蓝莓等，都具有各种不同的结构色。向大自然学习结构色形成的机理，有利于推动仿生光学材料在装饰、显示、防伪、涂料等领域的广泛应用。

生物学家的前期研究表明，鸟羽中的色彩很大一部分是由羽毛细胞里面的黑色素体（melanosome）形成有序结构而产生的。受到鸟羽结构色的启发，由美国阿克伦大学高分子科学系的Ali Dhinojwala教授，生物系Matthew Shawkey教授和加州大学圣地亚哥分校化学系Nathan Gianneschi教授组成的联合团队利用高分子化学的方法成功合成了与天然鸟类羽毛中化学成分，形状和大小均相似的人造黑色素纳米粒子，并利用这些人造高分子粒子组装形成各种光学薄膜（图1）。人造黑色素粒子具有和天然黑色素粒子相似的高折射率和高吸收等特点，这些性质使得它们比传统的高分子胶体粒子形成的结构色纯度更高。在此之前，科学家们往往只能通过混入炭黑或者贵金属纳米粒子的方法来提高结构色的纯度，但是这项工作仅仅使用单一组分的纳米粒子就实现了结构颜色纯度的突破。

最近，该联合研究团队还进一步发现由人造黑色素粒子制备的光学薄膜具有在不同湿度下迅速变色的现象。过程中光学薄膜的颜色变化显著（如蓝色变成绿色，红色变成绿色），可以在瞬间完成，速度甚至比变色龙还要快。而且具有极好的颜色回复性（动画1&2）。在多次反复加湿和干燥循环后，不仅能够持续保持颜色变化的可逆性，而且原有的颜色纯度也不会受到影响。

在这项工作中，他们深入论证了湿度响应变色是由于人造黑色素粒子吸收水分而膨胀导致光学膜的厚度增加，从而改变薄膜干涉的颜色。除了解释了结构色的动态调控机理，该工作还发现光学薄膜中纳米粒子无规堆积留下的间隙，不仅使得吸水和脱水速度加快，而且在多次加湿干燥循环中保持了本身的稳定性。这使得这种新型的仿生光学薄膜比其他类型的薄膜变色更迅速，而且使用寿命更长。

这些工作受到了美国国家自然基金委和空军的支持，主要由阿克伦大学的博士生肖明和加州大学圣地亚哥分校的李乙文博士（现任四川大学高分子科学与工程学院，高分子材料工程国家重点实验室特聘研究员）合作完成。考虑到人造黑色素粒子本身拥有抗紫外辐射、生物相容性好等特点，这些光学薄膜在响应性色彩传感器和涂料行业中将具有潜在的优势。

资讯来源：薄膜材料前沿