淡水有核珍珠暈彩效應成因分析

李維

中國地質大學（北京）珠寶學院，北京 100083

顏色的產生需要三個要素：可見光、觀察對象和人。光照射到物體表面再反射到人眼，人體的視覺系統產生所看到的顏色。根據有色物體對光吸收與否，可以把顏色分為色素色與結構色：色素色是物體中含有的致色元素吸收光而呈色；結構色是物體結構與光相互作用的產物[1]，當光線照射到表面或內部具有周期性結構的物體上時就能形成結構色，其最大的特征是色彩隨著觀察角度變化。寶石學中的假色就是結構色，如歐泊的變彩、月光石的月光效應和拉長石、珍珠的暈彩效應。珍珠的顏色是體色、伴色和暈彩的綜合結果，后兩者合稱為暈彩效應。伴色是漂浮在珍珠表面的一種或幾種顏色，暈彩是漂浮在珍珠表面的彩虹色[2]。兩者都是結構色，區別在于：伴色是大面積的、明顯的，以一種或幾種顏色為主，覆蓋在珍珠表面，有時甚至能蓋過體色；而暈彩更不明顯一些，顏色呈彩虹色。

在前人對寶石結構色的相關研究中，彭菊艷認為珍珠暈彩效應由衍射引起[3]；唐利妹對鮑魚殼暈彩效應進行研究，認為鮑魚殼珍珠層的結構色是由一維光子晶體結構導致，并利用甲蟲的晶體模型驗證[4]；李立平則認為鮑魚殼的珍珠層構成層狀衍射光柵導致其暈彩[5]；紀麗麗認為馬氏貝珍珠層是一種一維光子晶體結構，這種結構引起了馬氏貝的暈彩效應[6]；李青梅也認為紫貽貝和圓形淡水養殖珍珠的珍珠質是一種一維光子晶體結構[7]；李勃認為鮑魚殼珍珠質是一種一維光子晶體并進一步研究了其帶隙結構[8]。HainschwangT.and NotariF.在對日本奈良石榴石的暈彩效應的研究中，認為石榴石的暈彩效應主要由內部出溶層的干涉引起，另外石榴石表面的周期性槽狀結構也引起衍射而成為暈彩效應的一部分[9]。在前人文獻中，很少有直接針對珍珠暈彩效應的研究，一方面是因為具有強烈暈彩效應的珍珠可能價格高昂，比如大溪地珍珠；另一方面，圓形珍珠光學效應立體存在，非常復雜，研究難度大。近年來淡水有核巴洛克珍珠出現在市場上，物美價廉、具有強烈的暈彩效應，且暈彩分布在較扁平的表面，更易研究。本文對其暈彩效應成因進行研究和分析，補充對寶石學結構色的研究。

1 實驗方法

本次全部實驗樣品購自北京紅橋珍珠市場，商家表明樣品全部來自浙江諸暨，品類為淡水有核巴洛克珍珠。市面上有相當多這類產品，個頭普遍較大，外形根據內部核的形狀而改變。本次實驗選取大小適中、形狀較為扁平、珍珠光澤較強且暈彩強烈的樣品10 枚，分別編號為YC1-10。圖1 展示了部分樣品。

圖1 部分樣品Fig.1 Some samples

實驗測試：常規寶石學測試于中國地質大學（北京）珠寶學院寶石實驗室完成；掃描電鏡（SEM)測試于中國地質大學（北京）場發射掃描電鏡實驗室完成，儀器型號為ZEISS SUPRA 55 型掃描儀，實驗條件：加速電壓10kV、室溫18℃、濕度70%，測試樣品為YC-1、YC-8 和YC-9的表面和橫截面碎片，實驗前對其烘干并噴射鉑金；反射光譜測試于中國地質大學（北京）珠寶學院實驗室完成，利用Gem3000 光纖光譜儀測定樣品YC2-YC10 表面的反射光譜，再利用光學軟件OpenFilters 模擬反射光譜。

2 測試結果

2.1 基礎寶石學測試

在中性背景、5000～5500K 色溫下對樣品暈彩效應進行肉眼觀察。如圖2 所示，具有深青色伴色的樣品YC-7比具有紫粉色伴色的樣品YC-5 光澤更強，說明暈彩效應對珍珠的美麗有重要影響。

圖2 YC-5 和YC-7 暈彩效應對樣品光澤的影響Fig.2 Influence of YC-5&YC-7's iridescences on luster

在光學顯微鏡下可以觀察到，珍珠表面具有細膩的等高線狀紋理。圖3-a 中可以看出平坦表面處的暈彩效應相對單一，表面起伏處的暈彩效應明顯且豐富。圖3-b展示了樣品破碎的斷面，可以發現不僅是表面具有暈彩效應，在暴露的珍珠層上都可以觀察到同樣鮮艷的暈彩效應。圖3-c 為破碎后的珍珠內核，扁圓片狀，因此表面起伏變化的原因只能是珍珠層厚度，初步判斷暈彩效應與珍珠層厚度有關。

圖3 標本顯微鏡下及基本觀察照片Fig.3 Microscope and basic observation photos of samples

2.2 結構特征分析

2.2.1 光學顯微鏡下薄片觀察

圖4-a 中展示了有核珍珠的核與珍珠質的區別：珍珠核與珍珠質由一圈暗色物質隔開，該物質在正交偏光下呈黑色判斷其為均質體，結合資料[10]認為該物質應該為有機物。從圖4-b 中可以觀察到珍珠質具有明顯的圈層結構，且結構細膩平滑，說明珍珠具有良好的層狀周期結構。在珍珠質部分也有暗色線條，間隔大致相等且與珍珠層線條平行，是由生長周期中文石晶體與蛋白質交替生長形成的[10]。

圖4 標本YC-1 光學薄片觀察照片Fig.4 Photoes under optical microscope of YC-1

2.2.2 SEM 結果與分析

對YC-1、YC-8 和YC-9 的表面碎片和橫截面進行SEM 觀察，從圖5-a 可以觀察到表面結構比較疏松而且不規則，層間寬度在30～40μm，平行度較差，邊緣粗糙而模糊。圖5-b 可以觀察到階梯狀紋理細膩，平行度更高，邊緣清晰明亮，平均層間寬度為10～20μm。

圖5 標本的表面SEM 結果Fig.5 SEM results of samples' surfaces

觀察珍珠橫截面SEM 結果（圖6），結合前人研究[11]可知，珍珠質是由大量文石板片交錯疊成，厚度均勻，文石片層垂直生長方向分布。實際上在文石片層之間只有一層較薄的蛋白質層，因放大倍數有限觀測不到，結合前人資料[6]可知珍珠層是由板片狀文石層和蛋白質層呈周期性堆疊而成的。用PS 標尺對珍珠層厚度進行測量，測量方向與生長方向一致，如圖6-c 箭頭所指方向。每10 個珍珠層為一組，根據圖片實際情況測量3～6 組，最后取平均值計算出文石板片層厚度，結果如表1 所示。發現每顆珍珠本身的文石板層厚度均勻，但不同珍珠間差異較大。

圖6 YC-1、YC-8 和YC-9（從左至右）珍珠橫截面SEM 結果珍珠質由文石板層疊成且文石板層厚度均勻Fig.6 YC-1, YC-8 and YC-9 (from left to right) SEM results of their nacre cross section,The nacre is composed of aragonite layers with uniform thickness

表1 珍珠文石板片層的厚度Table 1 The thickness of aragonite sheet

2.3 反射光譜及相關模擬

圖7 分別為YC-8 和YC-9 的表面反射光譜，可以看出YC-8 在紫區（400～450nm）和黃綠區（510～580nm)有兩個反射峰，這與肉眼觀察到的顏色波長范圍相一致，即珍珠表面呈粉紫色、黃色、青綠色的組合色彩。YC-9 在紫區有反射峰，符合肉眼觀察的粉紫色。

圖7 標本YC-8 和YC-9 反射光譜Fig.7 Reflectance spectra of samples YC-8 and YC-9

利用開源多層膜計算軟件OpenFilter 對珍珠反射光譜進行模擬，文石板層的厚度設置與實際測試結果一致，蛋白質厚度設置為30nm，模擬層數為20 層[12]。圖8 中發現模擬珍珠層有多級反射光譜，并且隨著模擬厚度變小反射峰出現藍移現象。實際樣品的反射光譜也呈多級反射：一級反射往往在近紅外區，不在測試范圍；三級反射在實際中能量損失較大；所以從二級反射峰對應情況來看，與實際反射光譜能有較高的吻合度，并且實際反射光譜也出現隨著厚度減小出現反射峰藍移現象，這也更符合實際觀察情況，YC-1 呈現淺黃色伴色，而YC-8 和YC-9 均呈現明顯的青色、紫粉色伴色，這符合模擬珍珠質二級反射峰的分布情況。由于軟件模擬的條件是一維光子晶體，反射峰的出現是由于光子帶隙的存在[13]，這說明珍珠質確實符合一維光子晶體模型。

圖8 模擬反射光譜Fig.8 Simulated reflectance spectra

3 討論

珍珠的暈彩效應由伴色和暈彩組成，珍珠的暈彩比伴色更難觀察，當把珍珠傾斜對著光源時，可以觀察到不同于伴色的另一種結構色，即漂浮在伴色上方有一層變化豐富的結構色，這種不好觀察的結構色就是珍珠的暈彩，明顯不同于伴色。尤其是如圖9 所示，SEM 實驗中樣品表面被噴涂鉑金，掩蓋住了珍珠原本的青色、紫粉色伴色，而此時漂浮在表面的這些彩虹色就是珍珠的暈彩，充分證明珍珠的暈彩和伴色不同，因此本次實驗中認為伴色和暈彩是由不同光學機制引起的。

圖9 噴鉑金后珍珠表面暈彩Fig.9 Iridescence on pearl surface after spraying platinum

3.1 伴色呈色機理

根據反射光譜和相關模擬可知珍珠質是一種一維光子晶體，由文石板層和蛋白質層交替組成[10]，這種結構將引起光子禁帶，光不能穿過而只能被反射，形成多層膜干涉[13]，引起珍珠的伴色。根據SEM 及文石板層厚度計算結果，伴色與文石板層厚度相關，YC-1 呈弱淺黃色伴色，YC-8、9 呈強青色、粉紫色伴色，在一定范圍內，隨著文石板層厚度變小會引起反射峰的藍移，表現為伴色由黃色到藍紫色的轉變。

3.2 暈彩呈色機理

具有周期性結構的物體可以像平面衍射光柵一樣對光進行色散從而產生結構色，這種周期性結構只要每毫米具有50 至100 光柵，即具有間距為10～20μm 的光柵結構，就能引起光的色散，形成的顏色并非典型的彩虹色，而是多種顏色混合的復雜顏色[9]。SEM 結果顯示珍珠表面的階梯狀結構在10～40μm 之間，符合平面衍射條件。樣品表面的SEM 結果顯示珍珠表面質量較好的時候，表面階梯狀構造更規則、更細膩均勻，平行度更高，在10～20μm范圍內引起更高質量的暈彩。

4 結論

（1）珍珠的暈彩效應由伴色和暈彩組成，這兩種結構色分別由不同的機制引起。

（2）伴色由一維光子晶體結構引起，呈現為珍珠表面的大片結構色。伴色受到文石層厚度的影響，根據測試結果，一定范圍內隨著文石層厚度減小，伴色呈現出更鮮艷的青色、粉紫色，而不是文石層厚度較大時的黃色，這與文石層厚度減小時發生的二級反射峰藍移有關。

（3）暈彩由表面衍射光柵引起，呈現為從某些角度觀察漂浮在珍珠表面的結構色。暈彩受到表面階梯狀紋理的影響，當珍珠表面具有細膩、規則且平行度較好的階梯狀紋理時，將觀察到顏色組成豐富的結構色。

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