為什么掃描電鏡下的蝴蝶翅膀沒有顏色？

又到了一年一度的高考。每年的高考語文作文都會成為人們關注的焦點，今年自然也不例外，其中安徽省的題目尤其引人注目，命題人要求考生就如下科學現象發表看法^[1]：

為了豐富中小學生的課余生活，讓同學們領略科技的魅力，過一把尖端科技的癮，中科院某研究所推出了公眾開放日系列科普活動。活動期間，科研人員特地設計了一個有趣的實驗，讓同學們親手操作掃描式電子顯微鏡，觀察蝴蝶的翅膀。

通過這臺可以看清納米尺度物體三維結構的顯微鏡，同學們驚奇地發現：原本色彩斑斕的蝴蝶翅膀竟然失去了色彩，顯現出奇妙的凹凸不平的結構。

原來，蝴蝶的翅膀本是無色的，只是因為具有特殊的微觀結構，才會在光線的照射下呈現出繽紛的色彩……

這段話描述的是近些年頗為熱門的結構色現象。選擇科學現象作為高考作文的話題當然值得鼓勵，但是說原本色彩斑斕的蝴蝶翅膀在電子顯微鏡下失去顏色是因為其特殊的微觀結構則不夠嚴謹。因為任何物體用電子顯微鏡都看不到繽紛的色彩，只能看到黑白灰。為什么會這樣呢？

首先，我們需要了解什么是顏色。我們都知道光是電磁波的一種，但電磁波的波長覆蓋了極其寬廣的范圍，而只有波長在390-750納米這個范圍的電磁波能夠被人眼所感知，即通常說的可見光。可見光中每一種波長的光都可以讓人眼感受到不同的顏色。在日光中，不同波長的可見光以大致相當的強度相混合，如果一個物體將日光中的可見光全部吸收，或者全部反射，抑或讓它們全部透過，我們就會感到這個物體時黑色、白色或者無色透明的。嚴格來說，只有最后一種狀態才是真正的“沒有顏色”。但我們提到顏色時，更多指的是可見光中某一種或者幾種波長的光產生的紅、綠、藍等顏色，也就是常說的“彩色”。如果一個物體只能展現出黑白色或者是透明的，我們也習慣稱其為“沒有顏色”。

我們身邊的大多數物體自身都不能發光，只能被動地反射或者透射日光或者燈光。如果這些物體的某種成分能夠選擇性地將可見光中某些波長的光吸收而讓其余波長的光進入人眼，那么這些物體就帶上了不同的顏色。這樣因特定化學物質對光的吸收而產生的顏色，常被稱為“顏料色”，這也是大多數物體色彩的來源。

但也有一些物體的色彩并非產生于化學物質，而是由于自身形成了某種特殊的結構，這種結構能夠通過干涉、散射等光學現象讓某種顏色的光更強烈地進入人眼，這樣的顏色被稱為“結構色”。對于這樣的顏色，由哪種化學物質去構成并不那么重要，但一定要保持特定的結構，一旦這個結構消失，顏色也就隨之變化。蝴蝶翅膀上的色彩可能因為顏料色也可能因為結構色，還有可能是二者共同作用的結果。筆者去年寫過一個《不需要顏料的色彩》系列，其中提到閃蝶翅膀的藍色就屬于安徽省高考命題中“本是無色，只是因為具有特殊的微觀結構，才會在光線的照射下呈現出繽紛的色彩”的結構色。

閃蝶翅膀上的藍色為結構色

通常，形成結構色的某種結構的尺度都很小，不僅用肉眼無法看到，有的甚至用光學顯微鏡也很難分辨。這是因為光學顯微鏡的分辨率受到阿貝極限的限制，當相鄰兩個點的距離小于波長的一半時，顯微鏡就無法將它們區分開。可見光中波長最短的紫光波長大約在400納米，這也就是說尺度在200納米（0.2微米）或者更小的物體，用光學顯微鏡是無法分辨清楚的。形成結構色的結構的尺寸一般都接近這個數值，因此雖然近些年出現的超高分辨率顯微鏡能夠通過一些辦法巧妙地繞過阿貝極限看到更小的物體（可參見筆者之前所寫的《突破阿貝極限——解讀2014年諾貝爾化學獎》和《STED顯微鏡：超高分辨率不再是夢想》），但更多的情況下，我們仍然需要借助電子顯微鏡來看清這些尺寸更小的微觀結構。

為什么電子顯微鏡能夠看到尺寸更小的結構呢？剛才我們提到，光學顯微鏡能夠分辨清楚的最小尺寸大約是波長的一半。如果波長變得更短，那么顯微鏡能夠看清的尺寸也就隨之變小，電子顯微鏡正是利用了這一特點。電子和光子一樣，也具有波動的性質，而高速運動的電子的波長能變得非常小。例如，在100千伏高壓作用下高速運動的電子波長只有不到0.004納米，自然能夠讓我們看到尺寸更小的物體。接下來我們讓高速運動的電子穿過被切得非常薄的樣品。如果在樣品后方放置一塊涂有熒光材料的屏幕，電子穿過樣品到達熒光屏后，就會使得熒光材料發光。就像不同的材料對可見光的吸收效果不同一樣，電子能否順利穿過樣品也取決于樣品的具體組成。如果樣品對電子的吸收較弱，較多的電子到達熒光屏，屏幕對應的區域就會比較亮；相反，如果某個區域的樣品對電子的吸收能力較強，屏幕對應的區域就較暗^[2]。這樣通過明暗對比，我們就看清了物體的結構。這種構造的電子顯微鏡被稱為透射電子顯微鏡。

圖1 透射電子顯微鏡觀察到的線粒體[3]

除了透射電子顯微鏡，另一種常用的電子顯微鏡就是今年安徽省高考語文作文題中提到的掃描電子顯微鏡，它們雖然是“親生兄弟”，各自的工作原理其實有不小的差別。當我們用掃描電子顯微鏡觀察樣品時，高速運動的電子撞擊到物體表面上，一部分電子會被樣品反彈回來，還有的電子使得樣品自身的電子從樣品中被彈射出來，這個過程中還可能產生X射線。這些電子和X射線隨后被掃描電子顯微鏡的檢測器“一網打盡”。

那么掃描電子顯微鏡是如何分辨不同的樣品? 首先，樣品的表面通常并非平整，而是起伏不平，而傾斜程度不同的結構對電子的反彈程度也不同。這樣通過比較收集到的電子的強弱，我們就可以分析出樣品表面的結構；其次，不同的材料對電子的反彈程度也有所不同，因此掃描電子顯微鏡也可以反映出樣品表面化學成分的不同。由此可見，透射電子顯微鏡擅長觀察樣品內部的結構，掃描電子展示的則是樣品表面的特征，二者各有所長。

圖2 掃描電子顯微鏡觀察到的某種蕨類植物葉片的橫截面[4]

通過上面的介紹，相信大家應該能夠理解為什么用電子顯微鏡看不到物體的顏色了：因為人們看到的顏色是可見光帶來的性質，而無論是透射電子顯微鏡還是掃描電子顯微鏡，都是依靠沒有顏色的電子與物體相互作用，我們自然無法再看到物體的顏色。雖然我們要依靠光學手段——如前面提到的熒光屏——將電子的信號轉換為肉眼可以看到的光學圖像，但這種光學圖像通常也只反映了電子的強弱而已。因此，無論被觀察的樣品本身顏色多么絢麗，也無論這種顏色是顏料色還是結構色，在電子顯微鏡下面我們看到的都是黑白圖像。另外，掃描電子顯微鏡通常只適合用來觀察金屬等導體，當觀察類似生物樣品這樣不導電的物體時，一般需要事先在表面噴涂一層金或者其他導體。因此，就算用掃描電子顯微鏡能看到顏色，往往也不再是樣品自身的顏色。

圖3 某篇研究鳥類羽毛結構色的論文的實驗方法部分清晰表明用于掃描電子顯微鏡的樣品的表面事先噴涂了一層金[5]

那么，為什么我們經常看到彩色的電子顯微鏡照片？這些彩色的電子顯微鏡照片實際上都是所謂的假色圖或者偽彩圖，也就是說圖中的顏色并不代表人眼真實感知的顏色，只是為了更好地突出顯示某些結構，或者純粹為了更好的審美效果而通過人為的規定將原本的灰度圖片轉化為彩色圖片。這種轉化通常并不難，仍以電子顯微鏡為例，我們可以規定屏幕上接收到的電子強度最大時顯示紫色，最小顯示為紅色，介于二者之間的根據強度大小賦予橙、黃、綠等顏色，這樣原本黑白的電子顯微鏡圖片就會變得色彩紛呈。

圖4 假色圖經常被用來更好地展示分析測試的結果，例如圖中所示為計算機模擬的南極上空臭氧濃度，不同顏色表示不同濃度，并非南極上空的真實顏色[6]

假色圖在各種分析測試中應用廣泛，例如，原子力顯微鏡——另一種常用于觀察微觀結構的顯微手段——就是通過一根極細的探針與樣品表面的相互作用來感知樣品表面的結構（具體原理可參見《針尖下的世界——漫談原子力顯微鏡》一文），它產生的圖像經常以假色的形式來展現，樣品表面不同的高度會被賦予不同的顏色。和電子顯微鏡一樣，原子力顯微鏡也無法觀察到樣品的真實顏色，試想你閉著眼睛能否用手摸出一個球是紅色還是藍色？通常假色圖都會伴以標尺，用來說明不同顏色的不同含義。大家在遇到這種圖像時一定要多加小心，不要把它當成真實的色彩。