Màu cấu trúc

Màu cấu trúc
Dr. Leo Buss - http://www.bettas4all.nl/viewtopic.php?f=7&t=7731#.WaPJy4SGPZ4

Cá betta xuất hiện theo một bảng màu lòe loẹt. Đỏ, vàng, xanh dương, xanh lục, trắng, đen và bất kỳ số lượng biến dị nhỏ nào giữa chúng là bằng chứng. Ở cấp độ hiển vi, các tế bào được gọi là tế bào sắc tố (chromatophore) chịu trách nhiệm cho những màu mà chúng ta cảm nhận. Tế bào sắc tố ở cá betta được chia làm hai loại chính dựa trên nền tảng cơ chế mà nhờ đó chúng tạo màu. Một số tế bào sắc tố chứa sắc tố (pigment) hay hoá chất, vốn hấp thu những màu nhất định và phản chiếu những màu khác. Đỏ và đen là ví dụ về những màu như vậy ở cá Betta. Những màu khác, nổi tiếng nhất trong đó là xanh lục, xanh dương và xanh thép, được tạo ra theo một cơ chế hoàn toàn khác. Những màu ánh kim này được tạo ra bằng việc sử dụng thành phần hoá chất vốn tự chúng không màu (colorless), nhưng tạo ra màu sắc bằng tương tác vật lý của ánh sáng với bề mặt. Những màu như vậy thường được gọi là màu cấu trúc (structural colors), để phân biệt với những màu được tạo ra bởi sắc tố.

Để hiểu màu cấu trúc được tạo ra như thế nào, chúng ta cần so sánh hai khái niệm vốn khá quen thuộc với mọi người nhưng hiếm khi được suy nghĩ thông suốt trong ngữ cảnh này. Khái niệm đầu tiên đó là khi ánh sáng đi qua một bề mặt trong suốt, một số sẽ bị phản xạ (reflected) và một số sẽ tiếp tục đi xuyên qua môi trường. Mọi người đều quen thuộc với hình ảnh mặt hồ trong vắt mà nó phản chiếu hình ảnh hoàn hảo của bầu trời. Một số ánh sáng, khi chạm mặt nước, bị phản xạ từ bề mặt đó trong khi hầu hết xuyên qua giao diện (interface) không khí:nước.

Bây giờ sự kiện đơn giản mà mọi người đều quen thuộc này, dường như đúng nếu các vấn đề được xây dựng hơi phức tạp hơn. Hãy cân nhắc nhiều hơn một giao diện, chẳng hạn một lớp dầu mỏng trên mặt nước. Ở đây, chúng ta có đến hai bề mặt. Ánh sáng trước hết sẽ gặp giao diện không khí:dầu và một số sẽ bị phản xạ lại không khí, trong khi một số sẽ đi qua dầu (Hình 1). Bây giờ ánh sáng đi qua dầu sẽ gặp bề mặt thứ hai, vốn là giao diện dầu:nước. Một số ánh sáng sẽ bị phản xạ lần nữa và một số ánh sáng sẽ xuyên qua vào nước. Bây giờ chúng ta có hai bề mặt phản xạ và rằng sự phức tạp giản đơn (simple complication) này có khả năng tạo ra một bảng màu (palette), như mọi người quen thuộc với màu sắc của cầu vồng vốn xuất hiện trên các vệt dầu loang (oil slick) là bằng chứng.


Hình 1. Ánh sáng phản xạ ở cả hai, mặt trên và dưới của một lớp chất liệu mỏng trong suốt. Nguồn http://online.cctt.org/physicslab

Để hiểu được một vệt dầu loang tạo ra màu sắc như thế nào, trước tiên chúng ta nên nhớ rằng ánh sáng có tính chất như một sóng. Bất kỳ sóng nào đều có thể được định tính đầy đủ bằng việc thiết lập hai đặc điểm của nó, biên độ (amplitude) và bước sóng (wavelength). Các con sóng vỗ bờ, sóng này đè sóng khác có bước ngắn và những con sóng rời rạc có bước dài. Bước sóng đơn giản là thước đo về chiều dài từ đỉnh con sóng này đến đỉnh con kế tiếp. Biên độ là thước đo về chiều cao của con sóng.

Bởi vì ánh sáng hoạt động như một sóng, nó có thể được đặc tính hóa bằng biên độ và bước sóng. Cụ thể, bước sóng ánh sáng quyết định màu sắc của nó. Bước sóng ánh sáng 650 nano mét (nm) là đỏ, 590 nm cam, 570 nm vàng, 510 nm xanh lục, 475 nm xanh dương và vân vân. Một nano mét là khoảng cách rất nhỏ, bằng 0.00000003937 inch [1 phần tỷ mét]. Vì vậy, khi chúng ta thấy một bề mặt màu xanh, thì điều mà chúng ta thực sự đang nói đó là ánh sáng phản chiếu từ bề mặt đó có một bước sóng trong tầm 475 nm.

Chúng ta có thể vận dụng thực tế rằng ánh sáng hành xử như một sóng để luận ra những gì được quan sát, không chỉ liên quan đến bề mặt đơn giản, mà còn với những cấu trúc phức tạp hơn chẳng hạn như vệt dầu loang. Nếu hai sóng được kết hợp, sóng thu được chính xác là tổng của cả hai tại mỗi điểm. Hãy nhìn Hình 2. Giả sử rằng hai nguồn sóng ở Hình 2 (a) là hai đài (radios) đang phát cùng băng tần (tune) được đặt ở cùng khoảng cách từ tai bạn. Hai sóng âm sẽ giao thoa (interfere) cộng hưởng và bạn sẽ nghe một âm lượng (volume) tương đương với tổng âm lượng của cả hai.


Hình 2. Giao thoa sóng có thể là (a) cộng hưởng (constructive) hay (b) triệt tiêu (destructive). Nguồn http://acept.la.asu.edu/PiN

Bây giờ hãy tưởng tượng âm thanh không cùng bài hát, mà một cái trong đó, sóng âm từ đài thứ nhất hoàn toàn ngược pha (out of phase) với sóng thứ hai. Một lần nữa, như ở Hình 2 (b), âm thanh sẽ là tổng của cả hai, nhưng giờ đây, âm thanh mà bạn nghe sẽ bị nhỏ đi, hay thậm chí không còn gì cả. Nguyên nhân đó là hai sóng triệt tiêu lẫn nhau, cũng như các sóng phát sinh bởi hai thuyền cao tốc đang chạy bên cạnh nhau vậy. Hiển nhiên, nguyên tắc tương tự là thứ làm cơ sở cho công nghệ được sử dụng trong tai nghe chống nhiễu (noise reduction headphone). Tai nghe tìm cách phát ra một dạng sóng vốn chính xác là nghịch đảo (inverse) của nhiễu trong môi trường. Bạn nghe sóng tổng, vốn không còn nhiễu.

Hãy trở lại vệt dầu loang. Chúng ta biết rằng ánh sáng mà chúng ta thấy là thứ được phản chiếu từ cả hai giao diện, không khí:dầu và dầu:nước. Bây giờ, nếu sự lệch pha giữa ánh sáng nhất định phản xạ từ hai bề mặt bằng đúng 1 bước sóng, thì màu sắc sẽ được khuếch đại. Những màu khác vốn phản xạ từ bề mặt đó, nhưng không cùng pha sẽ bị suy giảm, hay nếu chúng hoàn toàn ngược-pha thì sẽ bị triệt tiêu hoàn toàn. Khi chúng ta nhìn thấy màu phản xạ trên một lớp váng (film) mỏng, màu nhất định đó xuất hiện bởi vì bước sóng tương ứng với màu đó được khuếch đại như ở Hình 2 (a), trong khi những màu phản xạ khác bị suy giảm hay triệt tiêu như ở Hình 2 (b).

Sự lạc đề dông dài ở trên là dạo đầu cho kết luận ngắn gọn. Bản chất vật lý của tương tác ánh sáng ở mặt trên và dưới của [lớp] chất liệu với chỉ số khúc xạ (refractive index) khác với môi trường mà nó gắn kết, chính xác là những gì tạo ra màu cấu trúc ở cá Betta. Tế bào ánh kim ở Betta và những loài cá khác chứa các mảnh tinh thể (crystalline inclusions), gọi là tiểu bản (platelet). Tiểu bản vốn không màu nhưng phản xạ mạnh. Chúng hình thành không chỉ một tiểu bản đơn lẻ, mà một chồng gồm nhiều tiểu bản (Hình 3). Dẫu chúng tạo ra màu sắc giống hệt như vệt dầu loang, bằng hiệu ứng được khuếch đại hơn nữa bởi một chồng đĩa đồng nhất về chất liệu và độ dày, phản xạ từ mỗi bề mặt đối lập đều khuếch đại cùng bước sóng ánh sáng.


Hình 3. Sơ đồ mô tả sự giao thoa của các tia sáng từ một chồng các màng mỏng, như ở các tiểu bản (platelet) của tế bào ánh kim.

Nhà thơ người Anh, John Keats tuyên bố rằng người cùng thời với ông, Isaac Newton đã cướp đi vẻ đẹp của cầu vồng bằng giải thích của ông về màu sắc như là sự khúc xạ lăng kính (prismatic refraction). Tôi tin rằng giải thích ở trên, ban đầu được phát triển bởi Thomas Young vào 1801, sẽ không ngăn cản nhà thủy sinh hiện đại trong việc thưởng thức sự lấp lánh của Betta ánh kim.


Source: FAMA Magazine
March 2005

Column Article
BETTAS...AND MORE
By Leo Buss, Ph.D.