注意！这种漂亮羽毛可别随便乱捡！因为它可能会……发射激光？！
中科院物理所官方账号
孔雀羽毛因其鲜艳的结构色而备受推崇，但最新研究发现，经过多次染色处理后，它们甚至能发射激光！根据《Scientific Reports》期刊的一篇论文，这是科学家首次在动物界中发现天然生物激光腔的存在。
颜色从何而来？
人们眼中的孔雀羽毛色彩，并不是来源于色素分子，而是微观结构本身的杰作。比如蝴蝶翅膀上的鳞片，由甲壳素（常见于昆虫体内的一种多糖）堆叠而成，就像屋顶瓦片一样排列。这种周期性的结构能像光栅一样衍射光线。不同的是，光子晶体只会选择性地产生特定波长的颜色，而光栅则能像棱镜那样分解出整个光谱。
图片来源：pixabay
孔雀羽毛的虹彩色泽，源自羽枝小片（barbule）内部的周期性纳米结构——这些小片由有序排列的黑色素杆组成，外面再包裹一层角蛋白。不同颜色，对应着不同的结构间距。
更神奇的是，这种结构色具有独特的物理优势。与化学染料相比，它永不褪色，因为颜色源于光与纳米结构的相互作用，而非易分解的色素分子。此外，结构色往往具有更高的亮度和饱和度，这就是为什么孔雀羽毛在不同角度下会呈现变幻莫测的璀璨光芒。研究人员还发现，这些纳米结构不仅产生视觉美感，还能有效反射紫外线，保护羽毛不受日光损伤。
天然的光子晶体
科学家把蝴蝶翅膀和孔雀羽毛这种精妙的天然结构称为光子晶体。它们能够“调谐”光的传播路径，阻挡某些波长的光，让另一些波长通过。如果调整结构的尺寸，就能改变它所作用的波段。比如彩虹甲虫甚至可以通过控制鳞片的大小和甲壳素的含量，来随心调节体色。
图片来源：pixabay
更厉害的是，这类结构的颜色不依赖观察角度，而且还具备实用功能，比如抵御环境侵蚀。在自然界，光子晶体的作用远不止“美丽”。它们还能参与伪装、信号传递：某些昆虫通过结构色降低被捕食者识别的概率，鸟类则用结构色作为配偶选择的标准。同时，人工光子晶体的研究方兴未艾，而从自然中学习这些结构的形成机理，或许能启发科学家研发出新型材料：防伪货币上的加密虹彩图案、自清洁的汽车或建筑外壳、甚至防水纺织品。
孔雀羽毛的天然虹彩结构色，其绚丽色彩来自纳米级结构，而非色素。摄影：Mallory Cessair / CC BY-SA 4.0
羽毛中的“激光腔”
那么，这些美丽的结构怎么会和“激光”扯上关系呢？
在此之前，科学界已经在多种材料中观察到过随机的激光发射现象：从染色的牛骨、蓝珊瑚骨骼到昆虫翅膀、鹦鹉羽毛、甚至人体组织和鲑鱼的虹色细胞。然而，研究者们想进一步确认：孔雀羽毛能否在特定条件下产生类似的激光效应？
实验并不难操作，他们挑选了未含杂质染料的孔雀羽毛，将多余羽枝切除并固定在吸收基底上，然后将常见染料滴加到羽毛上并晾干。在有些样本上，羽毛需要经过多次完全湿润和干燥的循环。之后，研究团队用脉冲光照射这些样本，并测量是否出现激光发射。
结果发现，在孔雀羽毛眼斑的所有颜色区域，都能观察到两种不同波长的激光信号，其中绿色区域发出的激光最强烈。但仅染色一次的羽毛无激光产生——唯有经历多次湿干循环的样本才成功发射。这可能是因为多次处理使染料和溶剂更好扩散至羽枝内部，同时角蛋白鞘中的微纤维可能变得松弛，从而形成微小的激光腔。不过，这一解释仍不足以完全说明现象。
孔雀羽毛眼斑不同颜色区域在多次染色后出现的激光发射光谱。可以看到，绿色区域的激光最强烈，谱线在574 nm 和 583 nm 位置形成清晰峰值。
微观结构的秘密
研究人员尚未完全弄清楚究竟是哪种微结构在充当“激光腔”。初步判断并不是角蛋白包裹的黑色素杆，而可能是羽毛内部的蛋白颗粒或类似的小结构。论文合著者、佛罗里达理工大学的Nathan Dawson向《Science》表示，这些微小结构很可能就是关键所在。
研究团队还比较了不同颜色羽毛区域的阈值差异，发现绿色眼斑不仅激光信号更强，而且阈值更低。这意味着绿色区域的微结构可能天然更适合形成反馈腔。作者推测，这与其纳米尺度的几何排列有关，而不仅仅是染料浓度的差异。换句话说，羽毛本身的“构造偏好”在决定激光效率上起了作用。
他们还通过数值模拟，尝试重建羽毛内部的光场分布。结果显示，当染料分子在周期性纳米结构中被激发时，部分光子被困在特定区域，形成类似微腔的模式。这一结果呼应了实验中出现的双波长峰值，也暗示羽毛可能天然具备多模激光的潜力。
更令人意外的是，研究还发现羽毛的激光发射具有高度方向性。虽然羽毛的虹彩颜色不依赖观察角度，但一旦进入激光状态，光束的方向性和相干性明显增强。这为将来开发低散射的仿生光学器件提供了新思路。
尽管目前仍停留在基础研究阶段，但这种低能耗、小体积的“羽毛式激光腔”让人联想到潜在的医学和材料应用。
图片来源：pixabay
未来，这项研究有望推动生物兼容激光器的发展——能够安全植入人体，用于传感、成像和医疗治疗。设想一下：如果能在软组织中复制这种微腔结构，或者与可降解载体结合，就可能实现体内的光学读写，比如监测伤口愈合或药物释放过程。
孔雀羽毛不只是“颜值担当”。它们绚丽的色彩背后隐藏着奥秘，而这些奥秘，或许能照亮医学与材料科学的新道路。下次看到孔雀开屏时，不妨想一想：你看到的，不仅是华美羽毛，还可能是一台“天然激光器”的启动瞬间。
作者：Jennifer Ouellette
翻译：Chocobo
审校：7号机
