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구조색, 나노구조로 만들어진 색  

구조색
- Shape : 형태가 기능이다
- 전반사 = White : Cloudy, 안개, 산호
- 회절격자
- 다층박막
- 구조와 색 : 꽃잎 색상의 물리학
- 구조와 색 : 세상에서 가장 검은 색

색을 내는데 항상 색소가 필요한 것은 아니다.
백색광이 어떤 매질을 만나 간섭을 일으키면 특정 파장 영역은 간섭보강이 일어나고 다른 파장은 간섭소멸이 일어나 색이 나타나게 된다.

화학색, 색소색 : 색소분자가 가시광선을 선택적으로 흡수함으로써 착색
구조색 : 그 자체로서는 무색인 조직구조(현미경적 크기의 주름·줄무늬·면·층)가 반사·간섭·산란에 의하여 광선을 그 구성 스펙트럼으로 분해하여 착색
   반사, 전난반사(全亂反射) 흰색 :  조류의 깃털, 모피, 모발 중의 기포, 연체동물이나 산호류 등의 탄산칼슘 콜로이드에 의한 이 있다.
   간섭 : 나비 날개의 비늘 조각(鱗片), 딱정벌레의 윗날개, 파충류의 체표, 조개류의 진주층
            물고기의 비늘, 화석 보석품인 rainbow ammonite

  





광결정(Photonic Crystal)이란?

나비나 새의 깃털 가는 주름에서 나타내는 빛의 회절, 간섭, 산란 현상에 의한 색깔을 구조색이라고 합니다. 구조색은 실제 색소에 의한 것이 아니고 비누방울의 얇은 막 반사에 다른 간섭으로 색상이 나타나는 것과 같습니다. 물위에 덜어진 기름이 무지개 색으로 나타나는 것도 구조색입니다. 과거부터 나비 날개에서 색소를 추출하여 물감으로 쓰려던 노력이 있었습니다. 그러나 나비 날개 위 화려한 색소를 추출 하는데 화려한 색소 추출에 실패한 후 연구 되었습니다. 원래 색소 색상과 구조색 이 두가지가 겹친 색이 조합되어 있습니다.
물리적인 구조색으로는 미소한 입자의 산란반사에 의한 백색, 파장과 같은 정도의 입자에 의한 단파광의 산란 때문에 생기는 틴달 산란광(청색), 겹쳐진 박막과 능의 반사로 생기는 간섭색(무지개색), 빽빽이 늘어선 가는 선에 의한 회절색 등 4종류가 알려져 있으며, 두 요소가 합쳐진 빛깔의 형은 나비 등의 금록색 날개 등에서 볼 수 있습니다.이중에 공작 깃털은 주로 미세한 주름에 의한 회절색이라 할 수 있습니다. 구조색을 띠는 섬유가 개발 중이며 구조색의 경우 주름 사이로 물이 들어가면 구조색이 없어집니다. 구조색을 띠는 섬유로 수영복을 만들 었을때 물에 들어가는 순간 비닐처럼 투명한 옷으로 바뀔 수도 있습니다.
이것의 구조색을 전자현미경으로 확대해 보면 마치 기와를 얹은 것처럼 규칙적인 배열이 나타나는데 여기에 빛을 비추면 특정파장의 빛만 반사되고 나머지는 통과한다. 이런 기하학적인 형태를 광구조(photonic structure)라 합니다. 그리고 광구조가 규칙적인 배열을 가지고 3차원으로 펼쳐진 모습을 광결정이라 부릅니다.물질의 광학적인 성질을 이용할 수 있는 구조를 가지고 있거나 구조를 갖도록 만들어낸 물질을 광결정(Photonic Crystal)이라고 한다. 그 예로 가장 많이 드는 것이 바로 남미의 열대림에서 서식하는 몰포(Morpho)나비이다. 이 몰포 나비의 날개에는 파란 색소가 존재하지 않는다. 날개의 표면구조의 특이성 때문에 날개가 파란색 파장의 빛을 반사하는 것이다. 색소가 없이 색깔을 내는 것을 구조색(Structural Color)이라고 부른다. 자연에서는 몰포나비 외에도 많은 광구조를 가지고 있는 생물들이 존재한다. 양치류 식물로 셀라기넬라의 경우는 잎 표면이 다층구조로 되어있다. 오팔도 광구조가 3차원으로 배열되어 있으며 딱정벌레 같은 경우도 광구조를 가지고 있다.
물질의 광학적인 성질은 화학적, 전기적 성질보다 더 각광을 받는 이유는 현대 사회의 특성 때문이라고 한다. 정보의 속도가 중요한 정보화 사회에서 빛을 이용한 광결정 구조를 갖는 물질의 활용은 정보의 처리와 전달에 있어서 획기적인 발전을 의미한다.

광결정(Photonic Crystal)의 원리

광결정이라는 것은 빛의 파장과 비슷한 길이의 격자 주기를 갖는 물질이다. 일반적으로 물체의 ‘색’은 그 물체에 도달하는 가시광선 중에서 반사되는 빛의 파장의 색깔이라고 할 수 있다. 가시광선은 여러 개의 파장으로 구성되어 있다. 모든 파장의 빛이 함께 있을 때에 가시광선은 밝고 투명한 색이다. 위에서 언급한 몰포나비의 경우 나비의 표면에 입사하는 빛이 다층구조로 구성된 나비날개의 표면에서 보강간섭과 상쇄간섭을 일으킨다. 이와 같은 간섭을 일으키는 이유는 빛이 입자이면서 동시에 파동의 성질을 가지기 때문이다. 이때 상쇄간섭을 일으키는 파장의 빛은 소멸되고 보강간섭을 일으키는 파장의 빛은 반사된다. 이 반사되는 빛이 파란색이기 때문에 몰포나비의 날개가 파란색으로 보이는 것이다. 이러한 구조색은 색소가 아닌 구조로 인한 색이기 때문에 구조의 변화에 따라 색이 변할 수밖에 없다. 따라서 나비의 색은 보는 각도와 빛의 입사각에 따라 다른 빛을 보인다.


스위스 연구진 "색깔 변화 열쇠는 피부세포 내 나노결정 구조 변화"

스위스 제네바대학(UNIGE) 미셸 밀린코비치 교수팀은 1015.3.10일 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communication)에서 카멜레온 피부색의 화려한 변화는 색소의 축적이나 분산으로 색이 변하는 다른 동물과 달리 피부세포의 구조 변화로 반사되는 빛의 파장이 달라지기 때문이라고 밝혔다.  

 
카멜레온. 스위스 제네바대학 미셸 밀란코비치 교수 제공

카멜레온 피부색의 빠른 변화는 몸을 주변환경과 비슷한 색으로 위장해 천적을 피할 때뿐 아니라 짝짓기 구애활동 등에서도 자주 나타나지만 그 메커니즘은 정확히 알려지지 않았다. 연구진은 이 연구에서 카멜레온의 피부에는 빛을 반사하는 층이 2개 있으며, 카멜레온이 피부를 당기거나 느슨하게 하는 방법으로 바깥층인 홍색소포(iridophore)에 있는 나노결정의 격자구조를 바꿔 피부색을 변화시키는 것으로 나타났다고 밝혔다. 피부세포 세포질에 있는 홍색소포에 나노결정이 배열돼 있는데 피부에 힘이 가해질 때 이 나노결정의 격자구조가 변하면서 특정 파장의 빛만 선택적으로 반사, 화려한 피부 색깔 변화로 나타난다는 것이다.  
밀린코비치 교수는 "카멜레온의 화려한 피부색 변화는 색소 없이 광간섭이라고 하는 물리 현상으로 일어나는 것"이라며 "이는 특정 파장의 빛과 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 수준의 결정구조 사이에서 일어나는 상호작용의 결과"라고 설명했다.연구진은 또 피부 바깥층 아래에 있는 훨씬 두꺼운 층은 적외선을 반사하는 것으로 나타났다며 이 두번째 층이 적외선 반사를 통해 열대의 뜨거운 태양으로부터 몸을 보호하는 역할을 하는 것으로 보인다고 추정했다.  연구진은 앞으로 카멜레온이 나노결정의 격자 구조를 제어하는 분자적, 세포적 메커니즘을 밝혀내는 연구와 함께 홍색소포 안에 나노결정 격자가 생성되는 메커니즘에 대해서도 연구할 계획이다.

 


Structural coloration was first observed by English scientists Robert Hooke and Isaac Newton,

The most brilliant blue coloration known in any living tissue is found in the marble berries of Pollia condensata, where a spiral structure of cellulose fibrils produces Bragg's law scattering of light.

Structural coloration is responsible for the blues and greens of the feathers of many birds (the bee-eater, kingfisher and roller, for example), as well as many butterfly wings and beetle wing-cases (elytra).[8] These are often iridescent, as in peacock feathers and nacreous shells such as of pearl oysters (Pteriidae) and Nautilus.

A diffraction grating constructed of layers of chitin and air gives rise to the iridescent colours of various butterfly wing scales as well as to the tail feathers of birds such as the peacock. Hooke and Newton were correct in their claim that the peacock's colours are created by interference, but the structures responsible, being close to the wavelength of light in scale (see micrographs), were smaller than the striated structures they could see with their light microscopes. Another way to produce a diffraction grating is with tree-shaped arrays of chitin, as in the wing scales of some of the brilliantly coloured tropical Morpho butterflies (see drawing). Yet another variant exists in Parotia lawesii, Lawes's parotia, a bird of paradise. The barbules of the feathers of its brightly coloured breast patch are V-shaped, creating thin-film microstructures that strongly reflect two different colours, bright blue-green and orange-yellow. When the bird moves the colour switches sharply between these two colours, rather than drifting iridescently. During courtship, the male bird systematically makes small movements to attract females, so the structures must have evolved through sexual selection.[8][12]

Photonic crystals can be formed in different ways.[13] In Parides sesostris, the emerald-patched cattleheart butterfly,[14] photonic crystals are formed of arrays of nano-sized holes in the chitin of the wing scales. The holes have a diameter of about 150 nanometres and are about the same distance apart. The holes are arranged regularly in small patches; neighbouring patches contain arrays with differing orientations. The result is that these emerald-patched cattleheart scales reflect green light evenly at different angles instead of being iridescent.[8][15] In Lamprocyphus augustus, a weevil from Brazil, the chitin exoskeleton is covered in iridescent green oval scales. These contain diamond-based crystal lattices oriented in all directions to give a brilliant green coloration that hardly varies with angle. The scales are effectively divided into pixels about a μmetre wide. Each such pixel is a single crystal and reflects light in a direction different from its neighbours.[16][17]

Structural coloration through selective mirrors in the emerald swallowtail
Selective mirrors to create interference effects are formed of micron-sized bowl-shaped pits lined with multiple layers of chitin in the wing scales of Papilio palinurus, the emerald swallowtail butterfly. These act as highly selective mirrors for two wavelengths of light. Yellow light is reflected directly from the centres of the pits; blue light is reflected twice by the sides of the pits. The combination appears green, but can be seen as an array of yellow spots surrounded by blue circles under a microscope.[8]

Crystal fibres, formed of hexagonal arrays of hollow nanofibres, create the bright iridescent colours of the bristles of Aphrodita, the sea mouse, a non-wormlike genus of marine annelids.[8] The colours are aposematic, warning predators not to attack.[18] The chitin walls of the hollow bristles form a hexagonal honeycomb-shaped photonic crystal; the hexagonal holes are 0.51 μmetre apart. The structure behaves optically as if it consisted of a stack of 88 diffraction gratings, making Aphrodita one of the most iridescent of marine organisms.[19]

Magnificent non-iridescent colours of blue-and-yellow macaw created by random nanochannels
Deformed matrices, consisting of randomly oriented nanochannels in a spongelike keratin matrix, create the diffuse non-iridescent blue colour of Ara ararauna, the blue-and-yellow macaw. Since the reflections are not all arranged in the same direction, the colours, while still magnificent, do not vary much with angle, so they are not iridescent.[8][20]

The most intense blue known: Pollia condensata berries
Spiral coils, formed of helicoidally stacked cellulose microfibrils, create Bragg reflection in the "marble berries" of the African herb Pollia condensata, resulting in the most intense blue coloration known in nature.[21] The berry's surface has four layers of cells with thick walls, containing spirals of transparent cellulose spaced so as to allow constructive interference with blue light. Below these cells is a layer two or three cells thick containing dark brown tannins. Pollia produces a stronger colour than the wings of Morpho butterflies, and is one of the first instances of structural coloration known from any plant. Each cell has its own thickness of stacked fibres, making it reflect a different colour from its neighbours, and producing a pixellated or pointillist effect with different blues speckled with brilliant green, purple and red dots. The fibres in any one cell are either left-handed or right-handed, so each cell circularly polarizes the light it reflects in one direction or the other. Pollia is the first organism known to show such random polarization of light, which, nevertheless does not have a visual function, as the seed-eating birds that visit this plant species are not able to perceive polarised light.[22] Spiral microstructures are also found in scarab beetles where they produce iridescent colours.

Surface gratings, consisting on ordered surface features due exposure of ordered muscle cells on cuts of meat. The structural coloration on meat cuts appears only after the ordered pattern of muscle fibrils is exposed and light is diffracted by the proteins in the fibrils. The coloration or wavelength of the diffracted light depends on the angle of observation and can be enhanced by covering the meat with translucent foils. Roughening the surface or removing water content by drying causes the structure to collapse, thus, the structural coloration to disappear.[23]

Variable structures[edit]

Variable ring patterns on mantles of Hapalochlaena lunulata
Some animals including cephalopods like squid are able to vary their colours rapidly for both camouflage and signalling. The mechanisms include reversible proteins which can be switched between two configurations. The configuration of reflectin proteins in chromatophore cells in the skin of the Loligo pealeii squid is controlled by electric charge. When charge is absent, the proteins stack together tightly, forming a thin, more reflective layer; when charge is present, the molecules stack more loosely, forming a thicker layer. Since chromatophores contain multiple reflectin layers, the switch changes the layer spacing and hence the colour of light that is reflected.[8]

Blue-ringed octopuses spend much of their time hiding in crevices whilst displaying effective camouflage patterns with their dermal chromatophore cells. If they are provoked, they quickly change colour, becoming bright yellow with each of the 50-60 rings flashing bright iridescent blue within a third of a second. In the greater blue-ringed octopus (Hapalochlaena lunulata), the rings contain multi-layer iridophores. These are arranged to reflect blue–green light in a wide viewing direction. The fast flashes of the blue rings are achieved using muscles under neural control. Under normal circumstances, each ring is hidden by contraction of muscles above the iridophores. When these relax and muscles outside the ring contract, the bright blue rings are exposed.[24]

카멜레온의 색 이야기

인류의 아름다운 색에 대한 욕망은 아주 오래 전 원시시절부터 계속된 것으로 그 흔적이 고대의 동굴 벽화나 원시 부족들의 치장, 고대 이집트의 미용술 등에 남아 있다. 많은 시간이 지난 지금은 온통 색으로 가득 찬 세상이다. 그런데 아름다운 색을 구한다는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 특별한 흙이나 식물, 동물로부터 색소를 얻었지만 항상 귀한 존재였다.

예를 들어 과거에 유럽에서 인기 있었던 붉은 보랏빛인 티리안 퍼플 염료를 겨우 1.2g 얻기 위해 지중해 조개를 1만2000마리나 잡아야 했고, 코치닐 1kg을 얻기 위해 연지벌레 암컷을 10만 마리나 잡아야 했다. 티리안 퍼플의 경우에는 로마시절에 워낙 인기가 높아 그것을 생산하는 조개가 기원전 400년경에 이미 멸종 위기에 처하기도 했다고 한다.

그렇게 귀했던 색소가 비교적 자유롭게 사용가능해진 것은 불과 150년 정도다. 1856년 윌리엄 헨리 퍼킨이 말라리아 치료약을 연구하던 중에 우연히 인공 염료를 합성해냈고, 그것이 큰 인기를 끌고 돈벌이가 되자 많은 사람들이 유기합성에 뛰어들어 수천 종의 합성 색소를 개발해낸 것이다. 사실 세상의 색은 3원의 조합이라 제대로 된 3가지 색만 있으면 모든 색이 가능함에도 용도에 맞는 좀 더 완벽한 색을 위해 그렇게 많은 색이 발명된 것이다.

세상에는 많은 종류의 색소가 있지만 식품에 사용이 가능한 색소는 불과 10여 종이다. 색소 중에서 가장 안전한 것으로 엄선된 것이지만 합성색소에 대한 거부감이 심해 요즘은 거의 대부분 천연 소재의 색소로 대체됐다. 그러자 요즘은 천연색소에 대한 이슈도 생기고 있다.  천연색소는 이미지는 좋지만 오염이나 사용성 개선을 위해 여러 가지 처리가 필요하고 안전성도 기대에 미치지 못해 처음부터 예견된 문제이기도 하다.

이런 식품 색소에 대한 가장 확실한 대책은 색소를 아예 쓰지 않는 것이다. 색소는 식품의 영양이나 기능성과는 아무런 관계가 없기 때문에 그냥 빼도 되지만 그것은 마치 음악이 우리의 생존과는 무관하니 우리의 삶에서 음악을 빼겠다는 것과 마찬가지인 발상이다. 삶의 즐거움과 음식의 즐거움이 크게 사라지는 것이다.

그렇다면 천연이든 합성이든 색소의 첨가 없이 색을 낸다면 정말 좋지 않을까? 다소 엉뚱한 상상 같지만 자연에는 놀랍게도 이런 현상이 아주 흔하다. 우리는 보통 색소가 색을 낸다고 생각하지만 그것은 완전히 착각이다. 색소는 단지 빛의 특정 파장을 흡수할 뿐 색을 생산하는 기능은 전혀 없다. 무엇이든 빛(가시광선)의 적당한 영역을 흡수하거나 산란 또는 반사시키면 색이 만들어 진다. 그리고 이런 색이 심지어 색소에 의한 색보다 찬란하고 아름답기까지 하다. 그 대표적인 예가 몰포(morpho)나비다.



사진. 화려한 색을 자랑하는 헬레나 몰포나비(출처: Erin Silversmith/wikipedia)


몰포나비의 색깔이 워낙 화려하고 아름다워서 이것으로부터 색소를 추출하려는 노력은 예전부터 아주 많았다. 그런데 아무리 색소를 추출하려고 애를 써도 불가능했다. 색소에 의한 색이 아니고 형태에 의한 색이었기 때문이다. 몰포나비의 날개를 전자현미경으로 확대해 보면 마치 기와를 얹은 것처럼 규칙적인 배열이 나타나는데, 이 나노 크기의 구조가 특정파장의 빛만 반사되고 나머지는 통과시킨다. 그래서 생긴 색이다. 마치 가을 하늘이 색소가 없이도 파란 이유와 비슷한 원리인데, 하늘은 아주 두꺼운 공기층에 의해 일어나는 것이라면 몰포나비는 그 얇은 두께의 날개로 만들어 내는 차이 밖에 없는 것이다. 따라서 몰포나비의 색을 추출하려는 노력은 파란 하늘의 색을 추출하려는 노력과 비슷했던 셈이다. 이처럼 색소가 없이 색깔을 내는 것을 구조색(Structural Color)이라고 한다.



그림. 몰포나비 날개의 규칙적인 배열을 나타낸 그림(출처: Chiswick Chap/wikipedia)


자연에서는 몰포나비처럼 색소 없이 색을 내는 경우가 많다. 백합이 눈같이 하얗게 보이는 이유도 꽃잎 세포 속에 있는 미세한 기포 때문이고, 조류의 깃털, 모피의 불투명한 흰색도 기포의 효과고, 연체동물이나 산호류 등은 탄산칼슘의 미세한 입자 덕분이다. 물고기의 비늘, 껍질에 왁스라도 바른 듯 반질반질하고 선명한 식물 ‘폴리카 콘덴세타(Pollia condensata)’의 열매의 색, 양치류 식물인 셀라지넬라(Selaginella)의 잎이 파란색 등도 이런 구조색인 것이다. 그리고 이런 구조색은 구조의 변화에 따라 색이 변할 수밖에 없다. 그래서 나비의 색은 보는 각도와 빛의 입사각에 따라 다른 빛을 보인다. 심지어는 스스로 구조를 바꾸어 색을 바꾸기도 한다. 카멜레온이 대표적인 경우이다.

카멜레온은 주변의 환경에 따라 피부색을 순식간에 바꾸는 것으로 유명하다. 그런데 그것이 색소에 의한 것이라면 카멜레온은 순식간에 피부에 색소를 합성하고 분해하는 능력을 갖추어야 한다. 물론 색소는 0.001%도 안 되는 작은 양으로 충분한 것이라 색을 합성하는 것은 어느 정도 가능할지 모른다. 하지만 변색에서 더 중요한 것은 기존의 색소를 제거하는 능력이다. 이것은 색소를 만드는 것보다 훨씬 힘든 작업이다. 바닥에 물감을 쏟는 것과 그것을 깨끗이 닦아내려 하는 것을 비교해 보면 알 것이다.

카멜레온의 변색의 핵심비결도 바로 구조에 의한 색이다. 카멜레온의 피부에는 빛을 반사하는 층이 2개 있는데, 카멜레온은 피부를 당기거나 느슨하게 하는 방법으로 이 층의 나노결정의 격자구조를 바꿀 수 있다. 그리고 격자구조가 미세하게 변하면 흡수하고 간섭하는 빛의 파장대도 바뀜으로써 피부색이 바뀌는 것이다. 대체로 피부에 힘이 가해질 때 나노결정의 격자구조가 좀 더 화려한 피부 색깔을 띨 수 있도록 변한다고 하니 카멜레온의 색은 생체 합성의 결과물이 아니라 피부운동의 결과인 셈이다. 카멜레온의 피부의 색을 띄는 부분은 원래는 자외선으로부터 피부를 보호하기 위해 수단이었는데 어쩌다 은신과 구애의 목적에 이용하는 것이다.

그러고 보면 자연에는 우연한 구조의 색이 아주 많다. 무지개의 색도 우연한 색이고 쪽빛 바다나 옥빛 바다도 색소에 의한 색이 아니고 우연한 빛의 흡수현상으로 나타나는 색이다. 이런 구조색은 자연만 만드는 것은 아니다. 우리도 생각보다 많은 구조색을 만들고 있다. 단지 대부분 흰색이라 그것 또한 구조색이라는 것을 별로 인식하지 못할 뿐이다. 흰색은 빛을 모두 반사하는 현상이라 마이크로 크기의 미세한 입자를 만들기만 하면 쉽게 만들어진다. 투명한 계란 흰자를 휘핑하면 미세한 공기와 지방 입자가 만들어지면서 새하얀 색이 된다. 아이스크림이나 생크림도 휘핑해서 만들어진 흰색이다.

사실 공기든 물이든 지방이든 그 크기가 1마이크로미터(㎛) 전후가 되면 빛의 산란현상이 극대화 된다. 어떠한 물질이든 미세하게 쪼개면 흰색이 되는데 1㎛ 크기 정도로 쪼개면 0.1g 이하의 지방으로도 100g의 물을 완전히 하얗게 만들 수 있을 정도의 빛을 완전히 산란 시킬 수 있다. 안개가 투명한 물로 만들어졌지만 미세한 입자라 빛을 산란시키고 아주 작은 양이라 안개 속에는 물을 전혀 느끼지 못해도 멀리서는 완전히 하얗고 아무것도 안 보이는 것과 같은 원리다.

이처럼 흰색은 쉽고 흔하지만 나머지 색은 힘들다. 색의 흡수 파장 크기에 딱 맞는 나노 구조를 엄청난 숫자로 만들어야 하기 때문이다. 그런 기술은 식품보다 섬유에 훨씬 먼저 개발이 가능할 것이다. 지금도 섬유에 그런 구조색의 활용이 어느 정도는 가능하다고 한다. 예를 들어 섬유에 구조를 만들어 흰색이나 불투명한 색을 만드는 것인데, 문제는 그 주름 사이로 물이 들어가면 구조색의 효과가 사라져 투명해진다는 것이다. 그런 섬유로 옷이나 수영복을 만들었는데 비를 맞거나 물에 들어가면 그 순간 옷이 비닐처럼 투명해질 텐데 그런 수영복이 무슨 쓸모가 있겠는가.