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人類可以創造出最純粹的藍色嗎?比星期一更blue的「真藍」

尋找「真藍」的煉金術士

在你的認知裡,藍色帶給你甚麼感受?是冷靜、憂鬱,還是理智?在星際爭霸戰(Star Trek)裡藍色制服代表的是科學組,像是史巴克和麥考伊醫官;在藝術家的眼裡,藍色可以創造出廣闊無邊界的深邃感,或是河流、海洋以及天空的流動感;不過在最近的新發現裡,藍色除了開啟我們對於視覺以及心理的感受以外,還擁有了科學上的新功用。

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史巴克在平常時候都保持著瓦肯星人冷靜,依循邏輯的形象。圖/Bill Lile@flickr

法國的創作藝術家伊夫·克萊因(Yves Klein)不是第一個發現藍色的男人,但卻可能是第一個為藍色配方申請專利的藝術家[1]。在這裡我們要說明一下顏色(Color)和顏料(Pigment)的不同。所有的顏色都是由光的三原色(RGB),也就是(Red),(Green),和(Blue)組成;因此當我們在色座標上定義出三種主要顏色的位置,並以 X、Y、Z 來表示其在座標軸上的相對位置時,我們就可以依據座標位置來表示色彩[2]。

而顏料則是包含將帶有顏色的粉料(像是有機、無機或是金屬的材料)與不同的介質(像是水、溶劑、樹脂或是油)均勻混合後的產物,如何在成膜物質中展現色彩的著色力,調配出藝術家心裡的目標顏色,是許多藝術家以及顏料公司一直煩惱的問題。

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光的三原色:紅、綠和藍色。圖/wikipedia

距離現在 60 年前左右,克萊因在米蘭展示了 11 幅全為藍色的單色畫布,這種絕對的藍色被評論家認為能引導人類超越現實的層面,象徵著沒有界線的天空和大海。藍色單色畫的展出獲得了空前的成功,克萊因也將這個純粹的藍色命名為國際克萊因藍(International Klein Blue, IKB),並將克萊因藍衍生到一系列的實驗以及人體創作[3]。

克萊因藍主要的組成採用了群青顏料(Utramarine pigment),在文藝復興時期群青被視為最高級/高貴的顏料,在人工製造技術開發以前,只能由青金石(lapis lazuli)研磨後的粉末取得。群青能呈現藍色的原因在於礦石中含有硫化物的陰離子(S3−)[4];但是隨著畫家將群青與不同的介質混合調配成顏料後,樹脂的選用、群青粉末聚集或分散不均的狀況都會造成色澤變得黯淡,無法呈現群青的真實樣貌。

為了改善這樣的狀況,克萊因與一位巴黎的顏料交易商愛德華·亞當(Edouard Adam)合作,找到一種組成為聚醋酸乙烯酯(Polyvinyl acetate, PVA)的透明合成樹脂,作為混合群青粉末的媒介[5]。以樹脂作為載體,搭配相容性的溶劑,讓群青粉末能在介質中保持均勻懸浮的狀態,大幅保留了群青的色彩強度,展現一種深邃的光澤感。

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克萊因藍。圖/wikipedia

克萊因的發現使我們找到一種能保留群青粉末的色彩,又能具備加工性,應用在衣物、繪畫、甚至是宮殿建築施工的顏料製作技術。但就如同大部分人類眼睛所能看到的顏色,克萊因藍實際上也不是全然的藍色,而是混雜了部分的綠色[6],人類對於創造出「真藍」的遐想:毫無其他顏色干擾的 100% 純藍色,仍舊停留在想像的區域。

意外發現的科學產物—「真藍」

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YInMn Blue(釔銦錳藍)。圖/OSU授權使用

直到 2009 年,俄勒岡州立大學(Oregon State University, OSU)的瑪斯.薩柏拉瑪尼安(Mas Subramanian)教授與他的研究團隊卻在一次高溫實驗中,發現了可能是目前最接近「真藍」的無機粉末。

瑪斯教授的研究生安德魯.史密斯(Andrew E. Smith)原先的目標是了解氧化錳(Manganese Oxide)的電子特性。在華氏 2000 度(相當於攝氏 1100 度)的燒結下,釔氧化錳(YMnO3)與釔氧化銦(YInO3)形成的固溶體(solid solution)結構因為錳離子(Manganese ions)的配位差異,展現出只吸收紅和綠色波長光線的特性,其餘的藍光則被反射。他們還發現,只要調整銦和錳的比例,就能夠調整吸收與反射的波段,也就能創造出不同深淺的藍色。如果能夠達到完全吸收紅光與綠光,真正反射到人眼的就只剩下藍光區域的波段,也就能創造出所謂「真藍」的純粹感。瑪斯教授依照組成元素將這個新發現命名為「YInMn Blue(釔銦錳藍)」。不過在俄勒岡州立大學大家都暱稱為瑪斯藍(Mas Blue)[7]

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調整錳離子的比例可以調整藍色的深淺。圖/OSU授權使用

有趣的是,這樣特別的藍色並沒有在當時引起廣泛的討論,因為釔銦錳藍並不是一個全新的無機結構,隨著科學期刊的發表,科學家並沒有了解到釔銦錳藍潛在的可能性,「真藍」也因此沉沒在廣大的科學文獻裡。

「如果不是因為我有在產業界(杜邦有一個專門開發顏料的部門)工作過的經驗,我不會知道這個無機材料的發現是極不尋常,而且具有相當高的商業價值的。」瑪斯教授說。在經過了三年的努力,2012 年 10 月,沒有放棄的瑪斯教授與他的研究團隊為這個藍色粉末取得了美國專利(US 8282728),薛特顏料公司(Shepherd Color Company)在這之後立即與俄勒岡州立大學達成了獨家的保密授權協議,並開始對釔銦錳藍進行各項嚴苛的測試,進而發現了釔銦錳藍更多的可能性。

釔銦錳藍—超越顏色以外的應用

傳統的藍色顏料—鈷藍(Cobalt Blue, CoAl2O4)具備穩定的尖晶石(spinel)結構,耐溫性可以高達攝氏 1200 度以上,這在其他的顏料中是非常少見的特性。由於釔銦錳藍也是在 1100 度的高溫下製作而成,釔銦錳藍本身就已經具備極佳的耐溫性,但除此之外,在薛特顏料公司的測試中,他們還發現釔銦錳藍有三個獨特的特性:

第一、釔銦錳藍無毒也無致癌性

鈷藍在使用時若發生吸入或食入的狀況,可能會導致鈷中毒(Cobalt poisoning)的狀況。

第二、釔銦錳藍在 UV 吸收測試,戶外環境測試的表現都能相當或優於鈷藍

研究團隊依照工業用顏料的標準,對釔銦錳藍進行了 5000 小時的 QUV 紫外光加速老化測試,釔銦錳藍會在設定的溫度以及濕度條件下,進行反覆的 UV 曝曬,藉此模擬陽光照射的影響,以及在露水或雨水噴灑下的表現。同時研究團隊也在辛辛那提(Cincinnati, Ohio)針對釔銦錳藍與鈷藍(比較對象為 CI Pigment Blue 28)進行 48 個月的連續戶外測試,發現釔銦錳藍能達到工業級顏料的需求。這說明了釔銦錳藍在建材、軍事防偽、以及工程塑料等領域都具有潛在的應用價值。[8]

第三、釔銦錳藍具有紅外線反射功能。

紅外線佔了太陽光輻射光譜一半以上的比例,也因此是主要的熱能來源。如果屋頂能塗上一層紅外線抗反射材料,大部分的太陽光輻射就可以被反射回去,間接降低了屋頂熱能的吸收,就能達到室內恆溫的效果。釔銦錳藍因此提供了一種新的抗反射材料的顏色可能。[8]

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釔銦錳藍相較於鈷藍可以反射長波長的紅外線,使其可以應用在屋頂塗料,保持室內的恆溫。圖/OSU授權使用

接續這些研究的發現,2016年對薛特顏料公司或是瑪斯教授來說都將是一個全新的開始。薛特顏料公司預備擴大釔銦錳藍的製造,在法規審核通過後就能開始進行商品化的生產,藝術家和畫家也可以與薛特顏料公司申請釔銦錳藍的樣品進行創作,包含水彩或是銅版畫作品。依據薛特顏料公司的網頁說明,只要付出每十公克十美金的價格,大家就可以在網頁上申請釔銦錳藍的粉末樣品。

而瑪斯教授也沒有閒著,位於俄勒岡州立大學的研究團隊已經展開一系列不同顏色的開發工作,從亮橘色、紫色到綠色的無機顏料,期望能找到更穩定、具備紅外線反射特性、同時又能展現明亮色澤的新材料。

「釔銦錳藍的出現告訴我們,無機顏料家族裡還有許多顏色等著被發現。」薛特顏料公司的研發主管傑佛里.T.皮克(Geoffrey T. Peake)這樣說。

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瑪斯教授期望能開發出更多穩定的新顏色。圖/OSU授權使用

註:

  1. 克萊因實際上完成的是 Soleau envelope(法國專有名詞,形式上是一個密封的信函),內文詳載發明的日期以及想法,在法國法律下可以當作一種發明的優先權,遞交到法國工業財產權局(Institut national de la propriété industrielle, INPI)可用於專利權的申請。
  2. 常用的色座標有 RGB 或是 CMYK 系統。
  3. 想親眼看到克萊因藍的作品可以到巴黎龐畢度中心或是美國的現代藝術博物館(MOMA)。
  4. 三硫化物的陰離子(S3−)會吸收 600 奈米左右波長的光線。
  5. 克萊因使用的合成樹脂至今仍在販售,型號為 Rhodopas M or M60A。
  6. 克萊因藍的色座標為 RGB(0, 47, 167),或是 RGB(0%, 18.4%, 65.5%)。實際上也幾乎是公認的克萊因藍色座標。主要原因在於克萊因當年提交Soleau envelope時,詳列了完整的顏料調整配方以及使用材料名稱:包含 1.2 公斤的Rhodopas M;2.2公斤的乙醇(95%工業級);0.6公斤的乙酸乙酯,總共 4 公斤的基料在低溫攪拌下後,再加入50%的群青粉末即可完成克萊因藍的顏料。理論上任何人依照同樣的配方都可以調配出相同的克萊因藍。而RGB(0, 47, 167)或是 RGB(0%, 18.4%, 65.5%)並非是科學上我們描述的顏色比例,而是提供給CSS、HTML辨識的顏色定義代碼。
  7. 釔銦錳藍的參考色座標為 RGB(0, 0, 255)。須注意這裡所列之釔銦錳藍的色座標數值為參考值,並非原始作者測試數據。由於從無機的粉料到調配成顏料配方,到在標準環境光源下去做色座標鑑定,在不同環境光源下皆會有很大的影響,要知道釔銦猛藍做成顏料後的色號,應以薛特顏料公司或其他使用釔銦猛藍之顏料,以標準測試手法才具相對參考價值。因本文在截稿日前未能取得瑪斯教授實驗室的參考數據,故在此列出網路上大家的推測色號,讓讀者能比較看看克萊因藍以及釔銦猛藍的顏色差異。想了解更多釔銦錳藍的發現故事,請參考論文出處:“Mn3+ in Trigonal Bipyramidal Coordination: A New Blue Chromophore”, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (47), pp 17084–17086
  8. 想了解釔銦錳藍在 UV 和近紅外線波段的吸收數據,請參考論文出處;Andrew E. Smith, Matthew C. Comstock, M.A. Subramanian, “Spectral properties of the UV absorbing and near-IR reflecting blue pigment, YIn1-xMnxO3, Dyes and Pigments“, Volume 133, October 2016, Pages 214-221, ISSN 0143-7208,

參考資料:

  1. Sasha Frere-Jones, “All About Yves: The Story of International Klein Blue" [May 20, 2015]
  2. Alastair Sooke, “Yves Klein: The man who invented the color“, BBC [August 28, 2014]
  3. 與火同行—-談談 Yves Klein [November 18, 2008]
  4. Stacey Leasca, “A Gorgeous New Color Is About To Be Released Into The World" [June 28, 2016]
  5. Jacob L. Heller, MD, MHA, Emergency Medicine, Virginia Mason Medical Center, “Cobalt poisoning“, MedlinePlus, Medical Encyclopedia
  6. Department of Chemistry, Oregon State University, “The Story of YInMn Blue
  7. List of inorganic pigments, wikipedia
  8. Symbolism of the Color Blue
  9. Megan Fellman, “Who knew there was so much to blue?“, Northwestern University [November 5, 2014]
  10. Aurarelles de Mas Blue, water color of Mas Blue
  11. Philip Ball, “Blue Standard“, [September 27, 2012]
  12. Pigment Discovery Media Attention, Subramanian Research Group [May 23, 2015]
  13. Subramanian Research Group Webpage, Oregon State University
  14. Eliane Coser, Vicente Froes Moritz, Arno Krenzinger, Carlos Arthur Ferreira, “Development of paints with infrared radiation reflective properties" [January 15, 2015]

關於作者

Sophie Liao

Sophie Liao

泛科學實習編輯,台大化工系畢,涉獵領域包含文學、化學到能源,現在是Big Bang Theory前兩季的忠實觀眾與科學宅,最愛電影之一是星際大戰第六集,家裡尚無光劍。

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