藍莓是一種很美味的水果，也是一種很健康的食物，富含抗氧化劑和維生素。但你有沒有想過，藍莓為什麽是藍色的？它們的皮裏面有什麽特殊的物質嗎？或者是它們的表面有什麽奇妙的結構嗎？今天，我們就來探討一下這個問題，看看物理學如何幫助我們解釋這個自然現象。
首先，我們要明確一點，藍莓的皮裏面並沒有藍色的色素。事實上，它們的皮裏面含有的是一種叫做花青素的物質，它的顏色是深紅色的，和藍色相差很遠。那麽，為什麽我們看到的是藍色呢？這就要歸功於藍莓的表面，也就是它們的蠟層。
藍莓的蠟層是由很多微小的晶體組成的，這些晶體的形狀和排列都是隨機的，沒有規律可循。當光線照射到這些晶體上時，它們會發生散射。但是，並不是所有的光線都會被同樣地散射，而是取決於光線的波長。我們知道，可見光是由不同顏色的光線組成的，從紅色到紫色，波長依次減小。而這些晶體的大小和形狀，正好和藍色或紫外光的波長相當，所以它們對這些光線的散射效果最強，而對其他顏色的光線的散射效果較弱。因此，當我們看到藍莓時，我們主要看到的是它們表面散射出來的藍色或紫外光，而不是它們皮裏面的紅色色素。
這種現象，我們稱之為結構色，也就是說，顏色不是由物質本身的性質決定的，而是由物質的結構決定的。結構色在自然界中很常見，比如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，甚至彩虹，都是由結構色產生的。結構色的特點是，它不會隨著物質的老化或損壞而改變，而且它可以產生很鮮艷的顏色，比色素色更加吸引眼球。這對於一些動物或植物來說，是很有用的，因為它可以幫助它們吸引配偶，或者警告敵人，或者吸引傳粉者。比如，藍莓的藍色，就可以吸引一些對藍色或紫外光敏感的鳥類，讓它們來吃藍莓，然後把藍莓的種子帶到別的地方，從而幫助藍莓的繁殖。
為了進一步理解藍莓結構色的產生機制，一篇發表在【科學進展】的論文對其表皮進行詳細的光學和結構分析。
研究人員首先對其表皮進行了反射光譜的測量，發現它們的反射光譜都具有一個藍色或紫外的峰值，而沒有其他的顏色。這說明它們的顏色是由結構色產生的，而不是由色素產生的。為了驗證這一點，研究人員用乙醇溶液去除了蠟層，發現它們的顏色都變成了深紅色或黑色。研究人員還用顯微鏡觀察了表皮的形貌，發現它們的蠟層由許多不規則的微小結構組成，這些結構的尺寸在幾百納米到幾微米之間，與可見光波長相當。這些結構的形狀和排列都是隨機的，沒有明顯的周期性或對稱性。這表明蠟的結構色是由無序結構產生的，而不是由有序結構產生的。
為了進一步理解蠟的結構色的產生機制，研究人員用數值模擬的方法計算了蠟層的散射特性。研究人員用隨機球堆模型來模擬蠟層的結構，即假設蠟層由許多隨機分布的球形結構組成，這些球形結構的大小、位置和方向都是隨機的。研究人員用有限差分時域法（FDTD）來求解蠟層的散射場，然後用散射矩陣法（SMM）來計算蠟層的反射光譜。
研究人員發現，當球形結構的大小在0.5到1.5微米之間時，蠟層的反射光譜可以很好地與實驗測量的光譜相吻合，而當球形結構的大小超過2微米時，蠟層的反射光譜就會出現明顯的偏差。這說明蠟的結構色是由球形結構的散射引起的，而球形結構的大小必須在一個合適的範圍內，才能產生藍色或紫外的反射峰。
研究人員還用散射理論的方法分析了蠟層的散射機制，發現蠟層的散射主要由形狀因子（form factor）和結構因子（structure factor）兩個部份組成。形狀因子描述了單個球形結構的散射特性，而結構因子描述了球形結構之間的相幹效應。
研究人員發現，形狀因子對蠟層的散射貢獻更大，而結構因子對蠟層的散射貢獻較小。這意味著蠟層的散射主要由單個球形結構的散射決定，而球形結構之間的相幹效應可以忽略。這與有序結構色的情況不同，有序結構色通常需要考慮結構因子的影響，因為有序結構的相幹效應很強。
