大自然的色彩戲法

動物展現炫目色彩的七項技法，皆是開發新科技的靈感來源。

重點提要

■鳥類、蝴蝶、烏賊和其他生物經常呈現鮮豔或變化多端的色彩。這些色彩不是來自色素，而是來自有系統的奈米結構。研究人員才剛剛開始著手研究這類結構。
■這些奈米結構的幾何排列可能整齊或不整齊，只會反射特定波長的光、形成特定的色彩。這些結構如果沾濕或尺寸發生變化，在某些狀況下還會改變色彩。
■科學家正在模擬這類生物結構、製作合成材料，未來將可開發出動一下就會改變色彩的汽車或服裝、可偵測飲水中雜質的感測器、行動電話用的高效能光學晶片，以及極難偽造的信用卡驗證標記。

孔雀尾部羽毛變化萬千的色彩，一向讓許多人好奇不已。17世紀英國科學家虎克（Robert Hooke）曾說這些色彩「令人難以想像」，原因之一是孔雀的羽毛打濕時，色彩會隨之消失。虎克使用當時剛剛發明的顯微鏡研究孔雀羽毛，發現羽毛表面有微小的細長突起，他認為可能就是這些突起造成鮮豔的黃色、綠色和藍色。

虎克的猜測是對的。鳥類羽毛、蝴蝶翅膀和烏賊身體上鮮豔的色彩，通常不是來自會吸收光的色素，而是大小僅數百奈米的許多微小結構，這類結構的尺寸和間隔會從整個日光頻譜中篩選出特定波長。這些色彩通常像彩虹一樣豔麗，從藍到綠、或是從橙到黃，神奇地不斷變化，視我們觀看的角度而定。因為這些色彩來自反射的光線，而不像色素是由吸收其他頻率的光所造成，所以往往更加鮮豔。中南美洲熱帶森林裡，藍閃蝶在穿透樹冠層的陽光下，看起來就像會發光一樣，遠在一公里外就看得見。

科學家正逐步了解生物身上這些精細的奈米結構如何操縱光線。同時，工程師也模仿這些生物結構，以設計新穎的人造光學材料。這些材料可用來製作更亮麗的顯示器、新型化學感測器，以及改良資訊的儲存、傳輸和處理技術。

這些生物結構如何演化而來？我們所知不多，但至少知道它們如何形成，又如何產生美妙的色彩。大自然沒有電子束等精密科技可用來蝕刻薄膜材料，因此必須依靠巧妙的構造。如果工程師能掌握這些原理，或許將能開發出能像烏賊保護色一樣隨時變換顏色的平價布料；或是把電腦晶片中的電子線路改成光學通道，便可以極高的速度傳輸資訊。以下是大自然形成結構、創造出多變色彩的戲法，以及發明家嘗試利用這些戲法的方式。

1耶誕樹效應

大藍閃蝶（Morpho didius）和藍摩爾蝶（M. rhetenor）炫目的藍色來自翅膀鱗粉上複雜的奈米結構：在鱗粉朝外的一面，會長出耶誕樹形的幾丁質構造。每棵「耶誕樹」上的平行樹枝可形成另一種繞射光柵，這些陣列可以反射高達80%的入射藍光。而且因為這些陣列不是平坦的，在僅能將單一色彩反射到某個視角範圍內只能反射出同一種顏色，縮減了色彩的豐富性。生物不一定希望自己的色彩會隨觀看者的角度而變化。

如同虎克在孔雀羽毛上觀察到的，當藍閃蝶的翅膀上有水覆蓋時，會改變光的繞射。因此，繞射係數不同的液體會造成不同的反射色彩。美國奇異公司全球研究中心的研究人員，與紐約州立大學奧巴尼分校的研究人員及英國艾克斯特大學的蝴蝶翅膀專家維克希克（Pete Vukusic）合作，開發模擬閃蝶的人造結構，用以製作能辨識某幾種不同液體的化學感測器，依據接觸到的液體而變成不同的顏色。他們使用半導體產業的微影技術，在固體上蝕刻出這些結構。這種感測器或許可用來在發電廠偵測特定氣體，或偵測飲水中的雜質。

2層層疊疊

虎克在孔雀羽毛上發現的細長形突起確實能散射光線，但亮麗的色彩通常來自突起底下看不見的奈米結構。彩色的鳥類羽毛、魚鱗以及蝴蝶鱗粉，通常有著微小而整齊的薄層或短桿，由能散射光線的緻密材質構成。薄層或短桿之間的距離大約等於可見光的波長，因此會造成繞射現象。特定波長的入射光從表面反射出來後互相作用，形成「建設性干涉」和「破壞性干涉」，使反射光中的某些色彩增強、某些色彩減弱。我們把雷射光碟片左右傾斜時，可在反光面看見彩虹的各種色彩，也是同樣的原理造成的。

在蝴蝶的翅膀上，反光層是由幾丁質這種天然聚合物構成。在翅膀鱗粉的堅硬表面（角質層）下，反光層之間的空隙充滿空氣。在鳥類羽毛中，反光層或短桿是由黑色素構成，包埋在角質（構成頭髮和指甲的蛋白質）之中。光學產業使用的繞射光柵是以極薄的兩種材質交替構成，在望遠鏡和固態雷射裝置等產品中用以過濾並反射單色光。

荷蘭葛羅寧根大學的史塔溫嘉（Doekele G. Stavenga）於2010年發現，勞氏六線風鳥（Parotia lawesii）的雄鳥運用這種技巧時，添加了巧妙的變化。這種鳥的胸羽有細如毛髮的羽小枝，內部含有多個黑色素層，層與層間的距離可產生明亮的橙黃色反光。不過每根羽小枝的橫截面為V形，傾斜的表面也能反射藍光。雄鳥在求偶儀式中只需微微動一下羽毛，就可在橙黃和藍綠之間快速變換，以吸引雌鳥的眼光。

目前還沒有科技專家嘗試模仿這種效果，但史塔溫嘉猜想，時裝和汽車產業未來可運用這類色彩變化：在衣料中添加V形小薄片，能讓服裝隨穿著的人移動而變換色彩；將這種小薄片加入漆料中，則可讓車輛在行進間大幅變換色彩。

3反光碗

東南亞地區常見的小天使翠鳳蝶（Papilio palinurus），身上鮮豔的綠色跟綠光完全沒有關係。牠的翅膀鱗粉佈滿著直徑僅數微米的微小碗形凹陷，這些凹陷內有一層層夾著空氣的幾丁質，具有分色鏡的功能：碗形凹陷的底部只會反射黃光，黃色中心周圍的側面只會反射藍光。人類的眼睛無法分辨如此細小的黃色和藍色，所以會將它看成綠色。

美國喬治亞理工學院的桑默斯（Christopher Summers）和史瑞尼瓦薩羅（Mohan
Srinivasarao）仿製了這種色彩產生方式。為了製作微小碗形凹陷，他們讓水蒸氣在正由液體凝固成固體的聚合物表面凝結成微滴，水滴像紙盒裡的蛋一樣擠在聚合物表面，陷入薄膜內。聚合物凝固後微滴蒸發，便形成有碗形凹陷的表面。研究人員接著在凹陷中交替沉積二氧化鈦和二氧化鋁層，形成可模擬蝴蝶鱗粉上碗形凹陷中自然內壁的反光層。

從薄膜表面反射出來的光看起來是綠色的，不過如果把薄膜放在一組偏光鏡下，由碗形凹陷中央反射出來的黃光便會消失，而來自周圍的藍光仍然存在。這個構造可以應用於製作信用卡和提款卡的特殊驗證標記，讓看起來很單純的綠色反光塗料，其中隱藏著黃色和藍色偏光標記，因而難以偽造。不過史瑞尼瓦薩羅承認，他們試圖仿製這種蝴蝶的綠色的理由，其實是「它本身就很漂亮」。

4光子晶體

祖母綠色的牛心蝶（Parides sesostris）同樣不是藉由色素，而是使用另一種奈米結構產生綠色。牠的翅膀鱗粉具有微小結晶般排列的小孔，這些所謂的「光子晶體」（photonic crystal）可完全排除特定波長範圍的光，將那些光反射出來。蛋白石就是由堆疊在一起的二氧化矽小球所構成的光子晶體，這種小球能散射光線，因此使蛋白石擁有彩虹般的各種色彩。光子晶體可將光局限在細小的通道內，形成波導，操縱光在電腦晶片內的狹小空間中行進。

牛心蝶的光子晶體則是由幾丁質構成，上面有直徑約為150奈米的整齊小孔。在電子顯微鏡下，這種紋蝶的翅膀是由一塊塊光子晶體以鋸齒狀排列而成。每一塊光子晶體的角度與旁邊的略有差異。這種結構使它能把入射角在某個範圍的綠色光反射出來。有些象鼻蟲或甲蟲也能藉由幾丁質形成的光子晶體，產生各種色彩。
美國耶魯大學的生物學家普蘭（Richard Prum）等人已經研究出蝴蝶翅膀發育時如何產生這類光子晶體。蛹中的翅膀鱗粉細胞中有些脂質，可自動形成立體的圖樣模板，幾丁質在這些模板周圍硬化。接著，脂質在細胞死亡時分解，而留下小孔整齊分佈的中空構造。

研究人員正在嘗試從零開始製造類似的結構。舉例來說，表面活性劑這種類似脂質的分子可形成規則排列的孔洞狀結構，「團聯共聚物」也可以。康乃爾大學的魏斯納（Ulrich Wiesner）曾經使用這種共聚物，使鈮和二氧化鈦微粒形成類似礦物的「光子晶體」結構。

這類多孔性固體的用途相當廣泛，例如高效率、低成本的太陽能電池等。除此之外，魏斯納也推測，以銀或鋁等金屬製成的光子晶體，可能擁有特異的負繞射係數，也就是說它們能使光朝「反方向」彎曲。如果真能製造出這種材料，將可用於光學顯微鏡的超級鏡片，突破傳統顯微鏡的限制，拍攝直徑小於光波長的物體。

6扭曲的海綿

為了產生色彩，某些生物的結構中會形成海綿狀的交叉立體構造，但是構造內部孔隙的形狀與排列是不規則的。許多鳥類不像蜂鳥和孔雀等擁有多種燦爛的色彩，但是依靠這種結構變化，也可以擁有亮麗的藍色和綠色羽毛。由於這種類似海綿的角質奈米結構造不規則排列，光線向四處漫射，類似天空的藍色，而不是像鏡面一樣且色彩豐富，所以不管從什麼角度觀看，色彩都是一樣的。

在黃藍金剛鸚鵡（Ara rararauna）和黑頭翡翠（Halcyon pileata）身上，羽枝結構中的空隙會形成直徑約100奈米的扭曲通道。白金龜（Cyphochilus）的角質層中也有類似的不規則結構，使牠擁有炫目的白色外殼。在藍冠嬌鶲（Lepidothrix
coronata）的羽枝內，通道不是管狀，而是相連的小氣泡。

耶魯大學的普蘭認為，這類通道或氣泡都是角質蛋白分離時所形成。在羽毛細胞發育初期，細胞中的角質蛋白會自動與液體分開，就像油和水分開一樣。他也認為，鳥類發展出一種方法來控制角質蛋白分離的速率，因此通道或氣泡會在空隙到達特定大小時停止形成。這個大小決定了散射光的波長，進而決定了羽毛的色彩。

其他天然和人造物質中也能看得到漫射光。例如牛奶中大小不一的脂肪微滴會散射可見光波長範圍內所有的光，因此牛奶便呈現不透明的白色。

艾克斯特大學的維克希克把碳酸鈣或二氧化鈦與聚合物混合，形成隨機多孔性結構，製作出亮麗的白色薄層塗料，以模擬白金龜的外殼。在此同時，普蘭和同屬耶魯大學的生物工程師杜福瑞尼（Eric Dufresne）則製作出隨機聚集的藍綠色聚合物微粒薄膜，仿製出鳥類羽毛的不規則孔隙海綿結構。這些技術將可協助我們開發出厚度極薄但具有不透明鮮豔色彩的塗料，而且這種薄膜不含有機色素，所以永遠不褪色。

5晶體纖維

動物製造光子晶體的方法可不只一種。鱗沙蠶（Aphrodita）等某些海洋動物的棘內有中空纖維組成的六角形陣列，直徑僅數百奈米。這些由幾丁質構成的陣列可反射紅光，使海毛蟲的棘發出美麗的紅色。

目前還不清楚這種光學性質在鱗沙蠶體內是否具有生物功能，不過，這種可操縱光的纖維一定可以運用在光學科技方面。現在任職於德國馬克士普朗克光科學研究所的羅素（Philip Russell），曾經把玻璃毛細管束加熱並拉長成有六角形孔洞的細長纖維。如果在原本的管束中加入直徑較大的毛細管或實心細桿，會形成陣列缺陷。光被周圍的光子晶體反射時，可從缺陷通過，如此便可製作出有外圍包覆層的光纖，而防止特定範圍波長的光透出。

光子晶體光纖的「洩漏」程度少於傳統光纖，因此可以取代電訊網絡中的標準光纖。另外，這類光纖所需的功率較小，不需要成本昂貴的放大器來加強訊號，就可傳輸很長的距離。由於光在光纖內行進的全反射效率較低，傳統光纖在大角度轉彎時相當容易洩漏訊號。光子晶體沒有這個問題，因為光不是靠反射保留在光纖內。因此，這種光纖在狹小空間內的效能更佳，能用以製作比電子線路晶片速度更快的光學晶片，使用在電腦和行動電話上。

7變色蛋白質

大自然中最令人稱奇的光學戲法之一，就是產生可逆轉的色彩改變。槍魷科的烏賊即使用一種稱為反光素（reflectin）的蛋白質，以形成並改變表皮的顏色。這種蛋白質分子在彩虹色素細胞（iridophore）中排列成一疊疊薄片，而彩虹色素細胞可以反射特定的顏色。生物學家認為這些顏色變化可當做保護色，並傳達交配或侵略的訊息。

美國加州大學聖巴巴拉分校的摩斯（Daniel Morse）正在研究彩虹色素細胞如何改變顏色。反光素摺成奈米微粒，再形成薄片，這些薄片夾在彩虹色素細胞的細胞膜皺摺之間。當神經傳遞物觸發能中和反光素電荷的生化反應時，蛋白質會疊得更緊密。這個變化可增加薄片的反光性，並改變其間隔、調整色彩。如果反光素再獲得電荷，這個改變可以逆轉。

摩斯認為，他或許可直接使用反光素，在光學裝置中模仿這個機制。他的團隊將長鰭槍烏賊（Loligo pealeii）的反光素基因植入大腸桿菌，這個基因表現時，產生的蛋白質會摺疊起來形成奈米微粒。藉由鹽控制蛋白質電荷間的交互作用，即可調整微粒的大小。材料本身或許會膨脹或收縮，隨化學物質觸發而改變反射的波長。

摩斯還開發出一種聚合物，可由電壓改變反光性，或是將其置入鹽中使聚合物薄膜膨脹，讓透明材料變成不透明的。未來使用這類材料的裝置，以簡單的低科技方式即可生產。摩斯等人正與加州的雷神視力系統公司（Raytheon Vision Systems）合作，用這種材料製作紅外線攝影機的高速快門，進而達成感測熱而非感測光的「夜間攝影」。