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向毛蜘蛛的「非常好色」學習

如果我們的油漆不再需要有機色素的調配,而是以仿生學中、模仿毛蜘蛛非炫彩藍色的奈米結構製作?

「這個計畫結果如果發表,可能未來三五年內,就有機會把這些非炫彩的結構色,用工業方法大量做出來商品化。」採訪這天是 美國時間 4 月 25 日晚上十點,距離熊柏凱在 experiment.com 網站提出的募資科學實驗計畫,還有幾天就要截止。

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先從顏色講起:結構色與色素色大不同

若非科班出身,要了解「非炫彩結構色」這幾個字可能比讀天書還難,不過開啟話題前,先來說說大自然中的顏色到底怎麼來。

自然界色彩產生的途徑有兩個主要來源:一為色素色、另一為結構色。油墨、染料這類物質的顏色之所以能被眼睛看見,是因為色素選擇性吸收某些特定波長的光,再將剩餘顏色光線反射/散射回觀察者眼中,在此同時材料也因為不斷吸收光線能量,導致物質分子鏈結被破壞,最後材料逐漸褪色,這類色彩產生原理就稱為「色素色」。

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印刷出來的顏色屬於色素色。圖/stux@pixabay

另一種結構色就不同了,它指那些不是經由化學染料,而是光學上、小於一微米之間的內部物理結構,對光線頻譜波長引發散射、繞射或衍射等作用,進而影響肉眼接收到的色彩光波、造成閃爍效果的顏色。自然界中許多昆蟲、蝴蝶、鳥類羽毛的顏色,就是透過這種方式產生。

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孔雀羽毛的顏色屬於結構色的代表。圖/Michelle Daigle@PublicDomainPictures

由於不同結構、光線進入方式與觀看角度,都會影響顏色變化,科學家希望找出這類生物改變色彩的方式,模擬應用在材料製作上(參考:孔雀羽毛為何特別明亮)。最簡單的例子是大家錢包中金融卡/信用卡背後的雷射標籤,就是利用雷射在原本透明的塑膠(或反光材質)上打洞,影響光線行進方向才產生顏色不停變化的結果。

仿生學:向大自然拜師學藝

像這類模仿生物體特質、「對大自然合法抄襲的學問」就稱為仿生學( Biomimicry/ Biomimetics ),從 1958 年美國史提爾(J. E. Steele)少校提出至今,已經有非常多相關的應用研發(參考:仿生-以自然為師的科學),這個學門的應用研發其實遍布日常生活(受鬼針草啟發的魔鬼氈就是最好的例子),只是我們通常身在其中而不自知。從色彩的角度來說,生物體結構色的原理是仿生學可以效仿的對象,透過模擬生物體上色彩產生的構造,就可以相對應的做出結構色鮮豔的色彩效果,不過最大的問題在於結構色的「炫彩現象」(Iridescent)。這是由於生物體身上的奈米結構不是平坦的,當光線進入時,只能在某個視線範圍內反射單一色彩(參考:大藍閃蝶上的耶誕樹結構),相對侷限了結構色應用的範圍。

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熊柏凱於TEDxUniversityofAkron上的演講。圖中的投影片,正在說明大藍閃蝶翅膀上特殊的結構可反射出藍光,而人類模仿這樣的結構精進了許多高科技技術。圖/熊柏凱提供。

3D列印 重現蜘蛛非炫彩結構色

「炫彩現象是限制結構色在日常生活應用一個很大的因素,通常我們不希望顏色一直改變」,鑽研仿生學多年、目前在美國艾克朗大學就讀的熊柏凱,研究主題很特別,他從具有鮮豔藍色的毛蜘蛛身上,找到特殊的多層膜奈米結構。

「我們發現不但所有毛蜘蛛都是相同的藍色,角度改變也不會讓顏色有所變化」, 他提到這個發現,興奮不已,因為這有可能擴大結構色過去使用範圍。他在實驗中假設,如果能將這個多層膜結構用 3D 列印方式做出來,就可以「用工業方法主動複製出簡單結構」,讓毛蜘蛛身上這種非炫彩現象進一步商品化。

有機藍色染料 在自然界中難合成

不只非炫彩的結構色在自然界中難以尋覓,這種毛蜘蛛還有一個特點讓牠與眾不同,「有機藍色染料在自然界中稀少又難以合成」,經過多方研究熊柏凱發現,這種毛蜘蛛至少經過八次獨立演化,身上的奈米結構從未在其他藍色物種中發現,也因此讓這種接近 450奈米、正負十奈米間的鮮艷藍色,成為毛蜘蛛身上的獨到特色。

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毛蜘蛛。圖/Michael Kern, www.thegardensofeden.org

研究過程 關關難過關關過

熊柏凱研究毛蜘蛛多年,過程中辛酸血淚兩隻手都數不完,光是為了找出適合研究的品種與顏色,就耗上一年半載;接下來還得進一步分析毛蜘蛛身上奈米結構的規律。「仿生學最精華的部分就是我們如何從這麼多的物種中找出共同特性」,為了蒐集足夠樣本進行研究,熊柏凱心中早有張門路清單,知道哪裡能以經濟實惠的價格,買到稀少又昂貴、品質卻有保證的毛蜘蛛。

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圖中最左邊的就是這次的受訪者熊柏凱博士。圖/熊柏凱提供

「如果能以結構色取代有機染料,只要少數幾個材料就能做到很多顏色,加上結構色不會褪色的特點,還能長久使用!」雖然這些優點並非一開始的研究動機,但說起自己的研究,熊柏凱有滿滿的自信。即便研究的只是毛蜘蛛身上一個非常渺小、看似不足為奇的結構組織,卻有可能為未來世界的色彩帶來天翻地覆的改變。

關於作者

彭 琬馨

琬馨

一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。

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