Dieren kunnen schitterende kleuren hebben (figuren 1, 2, 3 en 4). Hoe kun je die kleuren natuurkundig verklaren? Iemand die daar al meer dan zestig jaar onderzoek naar doet is emeritus-hoogleraar biofysica Doekele Stavenga. In de NRC van 1 juni 2025 wordt hij geïnterviewd.
Hij vertelt dat een geelvleugel-ara (figuur 2) veren heeft met geel, rood en blauw. De gele en de rode kleur komen door pigmenten in de veren.
a) Wat is een pigment?
Een pigment is een stof met een bepaalde kleur. Het pigment absorbeert licht van bepaalde kleuren en reflecteert andere kleuren. Om textiel of verf te kleuren worden pigmenten gebruikt. Een ander voorbeeld zijn de pigmenten die ogen en huid hun kleur geven.
Stavenga zegt hierover: “De gele kleur wordt uitsluitend gevormd door een pigment dat het blauwe deel van het licht absorbeert.”
In het teruggekaatste licht ontbreekt dus het blauw. En daardoor zie je een gele kleur. Om te begrijpen hoe dat kan, moeten we wat weten over hoe wij kleuren waarnemen.
Dat komt door de werking van de lichtgevoelige cellen van ons netvlies, de kegeltjes. Daarvan zijn er drie soorten. Zodra er licht op een kegeltje valt, van welke kleur ook, geeft het een signaal aan de hersenen. De gevoeligheid van de drie soorten kegeltjes voor verschillende golflengten is echter niet hetzelfde. Het is de combinatie van de mate waarin de drie soorten kegeltjes geprikkeld worden, die in onze hersenen leidt tot het waarnemen van een bepaalde kleur. Zo kan niet alleen zuiver geel licht maar ook een combinatie van kleuren ervaren worden als geel.
Uit ervaring weten we dat als een bepaalde kleur ontbreekt, we de combinatie van de resterende golflengten als één andere kleur waarnemen. Dat heet de complementaire kleur. Die twee kleuren staan in de op grond hiervan opgestelde kleurencirkel tegenover elkaar (figuur 5).
b) Ga na dat geel de complementaire kleur van blauw is.
In de kleurencirkel staat blauw aan de overkant van geel.
Je zou misschien denken dat de blauwe kleur bij de ara het gevolg is van het absorberen van een pigment dat geel licht absorbeert. Maar dat is niet zo. Stavenga legt uit dat de blauwe kleur het gevolg is van de structuur van de veren: “Zo’n structuurkleur zie je bijvoorbeeld ook bij zeepbellen. Die structuurkleur ontstaat dankzij het uiterst dunne zeepbelvlies.” (zie figuur 6.)
Laten we daarom eerst kijken naar hoe de kleuren van een zeepbel ontstaan. Zie figuur 6. Een straal wit licht valt op een zeepbel. Deze weerkaatst gedeeltelijk op de buitenkant van het waterlaagje en gaat gedeeltelijk door naar de binnenkant. (Het zeeplaagje zelf is zo dun, dat dit geen merkbare invloed op de stralengang heeft.) Aan de onderkant van het waterlaagje wordt de straal nogmaals gedeeltelijk teruggekaatst en de rest gaat verder naar de lucht binnen de zeepbel. De dikte van het vlies is d, de hoek van inval is α en de brekingsindex van water is n. De teruggekaatste lichtstralen interfereren.
c) Neem figuur 7 over en schets de stralengang.
Zie onderstaande figuur:
De straal die het waterlaagje binnengaat en na terugkaatsing binnenin tegen de onderkant weer uittreedt aan de bovenkant, heeft een langere weg afgelegd dan de straal die direct op de bovenkant terugkaatste.
d) Leg uit dat hierdoor destructieve interferentie kan optreden.
De lichtstraal die terugkaatste tegen de onderkant van het waterlaagje heeft een langere weg afgelegd dan de lichtstraal die direct tegen de buitenkant terugkaatste. Er is daardoor tussen beide teruggekaatste stralen een faseverschil. Dat faseverschil hangt af van de dikte van het waterlaagje en van de golflengte. Wit licht bestaat uit vele golflengten. Alleen de golflengte in de teruggekaatste stralen waarbij het faseverschil precies een half is, wordt uitgedoofd. Dat is destructieve interferentie. In de waargenomen straal ontbreekt die ene kleur. Andere kleuren zijn verzwakt. Daardoor is de uittredende bundel geen wit licht meer. Het heeft een kleur. Als je in iets andere richting kijkt, is de hoek van inval α anders en zie je dus een andere kleur.
e) Schets in de figuur waar het oog zich moet bevinden om dit verschijnsel waar te nemen.
Zie het antwoord bij vraag (c).
f) Leg uit dat de hoek α waaronder het licht invalt van invloed is op de waargenomen kleur van het teruggekaatste licht.
Bij een iets grotere hoek van inval is de route die de straal in het water tussen de zeeplagen aflegt iets langer. Dat vergroot het faseverschil. Destructieve interferentie treedt op bij een andere golflengte. Dus een andere kleur ontbreekt in het gereflecteerde licht. Je ziet een andere kleur.
Terug naar de blauwe kleur van de ara. Dit is een structuurkleur en wordt dus veroorzaakt door de structuur van de veer, “waar microscopisch kleine structuren voor weerkaatsing van het licht zorgen.” Zie figuur 8.
Een lichtstraal die op een veer valt, passeert meerdere laagjes. Telkens gaat een deel door en wordt een deel teruggekaatst.
g) Bedenk hoe dit ertoe kan leiden dat je één kleur ziet als wit licht op de veer valt.
De veer bestaat uit een verzameling laagjes. Als een lichtstraal op de veer valt, heb je tussen de laagjes telkens te maken met een heengaande en een teruggaande straal. Daar treedt voor een kleur die afhangt van de afstand tussen de laagjes destructieve interferentie op. Eén kleur verdwijnt in het licht dat de waarnemer ziet. De waarnemer ziet de complementaire kleur. In dit geval blauw.
Anders dan bij het zeepvlies hangt de waargenomen kleur niet af van de hoek waaronder gekeken wordt. Het lijkt alsof de veer echt blauw is.
h) Verduidelijk waarom de veer niet echt blauw is.
Het is niet een pigment dat de veer zijn blauwe kleur geeft, maar de structuur van de veer.
Stavenga geeft nog een ander voorbeeld van een structuurkleur, namelijk de prachtkevers (zie figuur 3): “Hun geheim schuilt in de ordening van melanine in hun schild. Melanine is een heel algemeen pigment, wij hebben het ook in onze huid, en als het willekeurig geordend is oogt het bruin of zwart. Maar in keverschilden zitten talloze laagjes melanine, met een hoge brekingsindex, die afgewisseld worden met laagjes chitine, waar de brekingsindex lager is. De laagjes hebben een dikte minder dan een micrometer en vormen samen een zogeheten optische multilaag, met een intense structuurkleur.” (Chitine is het harde materiaal van bijvoorbeeld het uitwendig skelet van insecten.) Net als bij een zeepbel hangt de waargenomen kleur af van de hoek waaronder je kijkt. Dit verschijnsel heet iriseren.
i) Zoek op waar het woord iriseren vandaan komt.
Wikipedia: Het Griekse woord iris betekent regenboog. “Iriseren is het natuurkundige verschijnsel van hoek-afhankelijke kleur en komt alleen voor bij structurele kleuren. Iriserende kleuren zijn het gevolg van breking en interferentie van licht in of aan het oppervlak van een voorwerp dat bestaat uit verschillende lagen met verschillende brekingsindices.”
j) Wat gebeurt er met licht dat op willekeurig geordend melanine valt?
Bij willekeurige ordening is er sprake van willekeurig absorberen van kleuren. Als al het licht dat op een oppervlak volledig geabsorbeerd wordt, en er dus niets terugkaatst, is het voor ons zwart. (Als niet alles geabsorbeerd wordt, maar wel alle kleuren in min of meer gelijke mate, kaatst weinig terug en ervaren wij de kleur als bruin.)
k) En wat als licht op zo’n optische multilaag valt?
Het invallend licht wordt bij de overgangen van het ene materiaal naar het andere telkens gedeeltelijk doorgelaten en gedeeltelijk teruggekaatst. Daarbij treedt interferentie op. Afhankelijk van de kijkrichting kan de kleur die uitdooft verschillen.
De metaalglans van eksters (figuur 4) heeft een vergelijkbare oorzaak. Hier betreft het een afwisseling van melanine en keratine in de veren. (Keratine is een taai eiwit, bijvoorbeeld in de huid van mensen.) Ook de intens blauwe kleur van de Morpho didius (figuur 1) is een structuurkleur, te danken aan schubben van de vlindervleugels: laagjes chitine met daartussen lucht.
l) Terugkomend op de titel van deze opgave, wat is het geheim van iriserende dierenkleuren?
Iriserende kleuren komen niet van pigmenten. Het geheim zit in interferentie van licht bij reflectie en absorptie op laagjes. Het is een gevolg van de structuur van het materiaal (veer, schild, etc.).
