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구조색 : 다층박막, 회절격자    

구조색
- 전반사 = White : Cloudy, 안개, 산호
- 회절격자
- 다층박막



몰포(모르포, Morpho)나비 날개 파란색의 비밀



“몰포 나비의 날개에는 파란색소가 전혀 없다. 다만 날개의 표면구조가 독특해 파란색 파장의 빛만을 반사함으로써 그렇게 보는 것이다.”  실제 나비의 색은 독특한 표면구조가 붙어있지 않은 몸통이나 날개 가장자리에서 보듯이 거무튀튀하다. 이처럼 색소가 없이 색깔이 발생하는 경우를 ‘구조색’(structual color)이라고 부른다. 그렇다면 이 표면구조는 어떻게 생겼을까. 날개표면의 단면을 전자현미경으로 확대해보면 마치 기와를 얹은 것처럼 규칙적인 배열이 나타난다. 여기에 빛이 비추면 특정 파장의 빛만 반사되고 나머지는 통과한다. 이런 기하학적 형태를 광구조(photonic structure)라고 부른다. 광구조는 특정한 파장의 빛만을 반사시키고 나머지는 흡수하는 성질이 있다. 몰포나비의 광구조는 파란빛만을 반사시키게 설계된 셈이다.

물포나비의 날개가 파란 이유는 날개에 잠재된 인분(나비, 나방 등의 날개에 붙은 비늘 같은 가루) 구조(그림)에 있다. 인분 구조는 조각조각의 다층 막이다. 약 700nm의 간격으로 늘어선 높이 2μm 정도의 기둥 좌우에 주름이 접혀있으며 상하 주름의 간격은 200nm 정도다.







식물도 구조색이 있다 : 폴리카 콘덴세타(Pollia condensata)

마치 껍질에 왁스라도 바른 듯 반질반질, 아프리카 에티오피아와 앙골라, 모잠비크 등지에 사는 식물 ‘폴리카 콘덴세타(Pollia condensata)의 열매다.

전체적으로 짙은 남색 계열의 푸른빛을 띠지만 보는 각도에 따라 보라색 또는 하늘색으로 보인다. 자연에서 흔히 볼 수 없는 색이기 때문에 자연물이라기보다는 인공적 조형물에 가깝게 보이기도 한다. 폴리카 콘덴세타의 열매는 과육은 거의 없고 오직 씨앗으로만 돼 있다. 때문에 열매는 부패하지 않고 식물이 죽은 뒤에도 한참동안 푸른빛을 유지했다. 최근 영국 캠브리지대의 물리학자와 식물학자들이 이 열매의 독특하고 신비로운 색의 비밀을 풀어 냈다. 연구진에 따르면 이 푸른빛은 특정한 색을 가진 색소에서 나오는 것이 아니라 세포의 섬유질이 만들어낸 구조색에서 나온다. 연구진은 폴리카 콘덴세타 열매의 표피 세포를 떼어다 현미경으로 관찰했다. 확대한 세포의 세포벽은 촘촘하게 배열된 셀룰로오스(섬유소) 가닥들로 이뤄져 있었다. 그런데 섬유소 가닥들은 배열하는 위치와 공간이 달랐다. 이 때문에 가닥마다 같은 파장의 빛을 반사하지 않고 조금씩 다른 파장의 빛을 반사했다. 즉 어느 가닥에서는 남색을, 어느 가닥에서는 보라색 파장의 빛을 반사시켜 전체적으로 무지개 빛 광택이 났던 것이다. 연구를 주도한 물리학자 실비아 비그놀리니 박사는 “이제껏 앵무새의 깃털이나 딱정벌레의 외피, 나비의 날개 등 동물에서 구조색이 발견된 적은 있지만 식물에서 발견되기는 이번이 처음”이라고 밝혔다. 연구진은 콜리카 콘덴세타가 구조색을 띠는 이유는 새들의 시선을 끌어 많은 씨앗을 널리 퍼뜨리기 위해서라고 설명했다. 연구에 참여한 식물학자 베벌리 글로버 박사는 “세포벽으로 구조색을 만드는 것은 새의 입맛을 끌기 위해 맛있는 과육을 만드는데 에너지를 쓰는 것보다 훨씬 경제적일 것”이라고 말했다.

 

 

완전히 한가지 색도 아니다

 

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.

흰색으로 보이는 북극곰은 사실 갈색 털을 지니고 있다

특이한 털 구조 때문에 다른 색으로 보이는 것인데요.
물 속을 헤엄치던 북극곰이 서서히 물 밖으로 나옵니다.
몸을 흔들며 물을 털어내는데, 털이 갈색으로 보입니다.
흰색으로 보이는 북극곰의 원래 털 색입니다.
이렇게 북극곰의 털 색이 달라 보이는 것은 털의 특이한 구조 때문입니다.
나노 광 결정이라고 부르는데 구조 형태가 바뀌면 특정 파장의 빛만 반사돼 우리 눈에 들어오는 겁니다.