蝴蝶領結狀金粒讓室溫奈米雷射成真

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《近場光學顯微術，開啟奈米世界大門》
• 作者／簡靖航｜科技大觀園特約編輯

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後，從 20 世紀後半⾄今，突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸（約為光波長的⼀半，以可⾒光來說約 200-350 nm），仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑，⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場（far field）與近場（near field）兩⼤類，這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長（約數⼗奈米）處進⾏量測，若有則為近場，其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度， 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺，專攻近場光學顯微術，屬於探針掃描顯微術（Scanning probe microscopy, SPM）中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術，家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術，依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中，最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡（Scanning tunneling microscope, STM），其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流（註1），作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離，⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡（Atomic force microscope, AFM）則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術，其以針尖接觸（contact）或輕敲（tapping）物體，藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒，得知物體表⾯的高低起伏。 

在探針掃描顯微術中，控制針尖與物體的相對距離是重要的課題，STM 可控制距離在一奈米以下，AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外，要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」，其尺度都會在微米級別以上，這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場，⽽導致晶格長度的伸長或者收縮，即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術，探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎，外加光源於針尖上，即為近場光學顯微術（Scanning near-field optical microscopy, SNOM），依照光源形式的不同可區分為兩⼤類： 

1. 微孔式近場光學顯微術（aperture SNOM，簡稱 a-SNOM） 
2. 散射式近場光學顯微術（scattering SNOM，簡稱 s-SNOM）

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖，先鍍上⼀層⾦屬薄膜，並打上⼩洞，讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出，得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上，並量測散射後的光訊號。其中，針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡（Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS）是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式，主要為量測拉曼散射光譜，即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱，透過探針鍍上⾦屬薄膜，即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果，來增強待測物的拉曼訊號，並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間，其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測，需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合，用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主，曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果，維基百科的 TERS 條⽬，也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後，陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM，兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上，因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM，以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外，穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易，是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式（contact mode）的 AFM 方式掃描，以防止輕敲式（tapping mode）起伏會干擾光訊號，代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡，能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅（在⼀個奈米以下），可以大幅提高 AFM 的形貌解析度，也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗，才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度，但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性，經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM，因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度，來解釋近場光學所量測的結果，以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外，陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測，將針尖與光學元件整合在自製的腔體（cage system）之中，得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像，這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後，⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員，「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽，陳祺分享⾃⼰的⼼得：「是不可能兼顧的啦！先集中精神做好⼀件事，等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事， 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1：量⼦穿隧電流：在量⼦世界中，物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質， 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時，有不為零的機率穿過去，並產⽣穿隧電流（tunneling current ）。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減，因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

水這種物質看起來再平凡不過。人們每天洗澡、澆花、游泳、沖咖啡，無時無刻不跟水相處在一起。人體中還有地球表面上大部分都是水，事實上，它可是宇宙中第三多的分子。

不過，時至今日還是有許多頂尖的科學家在進行水的前沿研究。你以為他們領了政府與學校的研究經費，是為了探索未知的星系或癌症的解藥，但他們其實在研究無聊的水。這可不是因為他們是薪水小偷，而是水分子雖然十分常見，但它的許多獨特性質在科學上還未有定論。

三態間的未解之謎

你可能會覺得：「水的性質不是國中就都教過了嗎？」。不過就跟所有其他東西一樣，事情並沒有課本寫得這麼簡單。從固態的冰講起，就有十幾二十種結晶型態。就像石墨加壓會變成鑽石，普通冰塊在高壓下也會轉變成其他的結構。另外，關於過冷（低於冰點卻不結冰）這種奇怪的現象，至今也還沒有完全清楚的實驗和理論圖像。

結冰的過程已經這麼捉摸不定，蒸發更是如此。雖然我們知道衣服晾在外面會乾，但對於水蒸發的速率，卻沒有一個精準的描述。水的蒸發是源自分子碰撞時，某些分子被撞出液態的水，因此蒸發速率可以寫成分子碰撞的多寡乘上某個實驗常數。要決定這個實驗常數聽起來像是個簡單的高中科展題目，但以往的許多結果卻時常出現分歧，差距高達三個數量級（也就是一千倍）！

如果想用電腦進行理論模擬則會出現另一個問題，例如我們模擬 18 公克的水如何蒸發（喝水一口都比 18 克還要多），就必須同時計算 6 × 10²³ 個水分子的狀態，以目前的電腦運算力難以負擔。想要解決蒸發的難題，需要一些相當進階的實驗與理論方法，而這也是科學家目前正在努力的方向。

除了轉變至固態與汽態的過程之外，就連最普遍的液態水也有許多捉摸不定的型態。科學家在瞬間結冰的水中發現兩種結構，兩者密度高低不同。由於瞬間凝結的冰沒有時間排列成整齊的固態晶格，所以能夠保留原本液態時的分子排列模式。也就是說，原本的液態水也有分兩種結構。這種結構上的差異被認為與過冷機制密切相關，相關的實驗不久前也剛登上 Nature 期刊 ^[1]。

水分子間的量子效應

要對水的這些奇特性質建立更好的理解，得先了解水分子微觀上的交互作用。水分子是由一顆氧跟兩顆氫組成一個米奇形狀，其中氧帶較多負電，氫帶較多正電，所以相鄰的水分子會感受到來自鄰居的吸引力，也就是所謂的「氫鍵」。靠著分子間的氫鍵，水才能夠組成上面提到的各式結構。

不過，用來解釋氫鍵的質子與電子，都是量子力學適用的尺度，而氫原子的嬌小身材，讓其中牽涉到的量子效應變的特別顯著。有許多人認為，如果將量子效應納入水分子結構理論模型，或許就能解釋水展現出的諸多特性。近期，史丹佛直線加速器中心（SLAC）的實驗團隊首次對水分子氫鍵的振動進行直接觀測，從實驗上踏出了重要的一步。

發生在皮秒間的氫鍵震盪

這次實驗首先得射出一道比頭髮細一千倍的迷你水柱，作為探測的樣本。在這麼細的水柱中，每個截面可能只有幾萬個水分子。水柱中的分子間氫鍵被外加的雷射刺激並進行振動，實驗團隊接著便能用高能量的電子束作為「探測槍」，利用電子束散射的結果，分析水分子每個瞬間的分子結構。

這種觀測方法可以達到分子等級的解析度，而這次實驗直接聚焦在三顆水分子之間的拉動牽扯。受到雷射刺激時，氫原子會先將鄰近的氧原子拉近，再拉開距離，一切都在幾皮秒(10^-12 秒）內發生。針對氫鍵長度的這種收縮震盪，研究團隊進行了一系列的探索。

透過電腦模擬，他們發現氫鍵拉扯的幅度比較符合加入量子力學的模型，為水分子結構的量子效應提供初步的證據。

拉開水分子量子性質的研究大門

以往研究分子結構需要仰賴光譜學的間接轉換，而以皮秒為單位在進行震盪的微小氫鍵，在實驗觀測上是一大挑戰。這次的裝置首次對液態水的氫鍵距離震盪做出直接的測量，也為科學家開啟更多的機會，去檢驗氫鍵的量子性質對於水的結晶和蒸發等過程有什麼影響。

關於水，我們還有許多不知道的事。也因為如此，網路上常常能看到「小分子團水」，「能量水」等等的健康廣告，讓大家看得不知是真是假。隨著目前研究持續進行，或許很快就要有「量子水」上市了。

參考資料：

1. https://pansci.asia/archives/194118
2. Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
3. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210825113614.htm
4. https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water

在昆蟲中，色彩鮮豔又顯眼的物種往往使人著迷，尤其蝴蝶向來是相當受人喜愛的一群昆蟲。一般人見到蝴蝶時，目光肯定會集中在牠們那五彩繽紛的翅膀。

蝴蝶的翅膀表面布滿著無數的鱗片，每一個鱗片的長度大約介於 50 ~ 200 微米之間（1 微米 ＝ 0.001 公釐）。不同種類的蝴蝶，鱗片的形態也會有所差異，但共通點都是非常容易脫落。

包含蝴蝶的鱗片在內，昆蟲身上呈現出來的許多色彩，是由天然色素所構成，這稱作「色素色」（化學色）。但也有部分顏色屬於「構造色」（或稱物理色、結構色），與體表結構的物理性質有關。

結構賦予的幻紫湛藍

構造色通常由週期性排列的微觀結構，如小突起、溝紋等所造就，這些結構使光線產生反射、干涉、繞射等光學效應，而讓特定波長的光被保留了下來。

構造色並常伴隨著「炫彩」特性，也就是色彩光澤會隨著人眼觀看角度的不同而出現些微變化，讓一隻昆蟲顯得璀璨閃耀。有些蝴蝶在展翅時，會呈現出類似金屬、珍珠般的光亮質感，這類特徵往往便是源自構造色。（註：炫彩（iridescent），也常被譯作「虹彩」、「虹光」）

中南美洲叢林中的「閃蝶」（Morpho，又稱摩爾福蝶）是構造色相當有名的例子。閃蝶的藍色翅膀鮮豔奪目，質感宛如珠寶，因此身價不凡，是眾多標本收藏家愛不釋手的珍品。

閃蝶翅膀呈現金屬藍色，然而翅表面的鱗片並沒有藍色色素，這樣的炫目的色澤歸功於鱗片上奈米尺度的多層次塔狀結構。當陽光映照在鱗片時，部分光線可能會直接被反射，有些光線則穿過部分結構，接著被底下層次的結構反射，而許多被反射的光線，彼此還可能發生交互作用。最終，鱗片的這些微結構反射了大部分藍色光芒，使得翅表面呈現明亮耀眼的金屬質感。

鱗片已經非常的小，當然鱗片上的結構是我們人類肉眼所看不到的，所以科學家在探究這些構造時，必須透過電子顯微鏡才得以一窺究竟。

拿現實生活中的物品來比喻，可以說閃蝶體表閃耀的色澤，性質有些類似 CD 光碟片的表面。光碟片在光線下會顯現七彩的光澤，而這些光澤是光碟表面細小微妙的溝槽造成的繞射效果。

在台灣的我們，除了博物館裡才有機會目睹的閃蝶，有沒有什麼活生生的例子可以讓我們一窺構造色呢？常見的「紫斑蝶」（Euploea），就是很好的觀察對象。牠們不只是數量多，同時又是蝴蝶中動作較為緩慢的種類，因此要近距離接觸牠們並不難。

紫斑蝶前翅背面雖然呈黯淡的褐色，但當牠們展翅時，這些鱗片在陽光下會散發出藍色至藍紫色的絢麗色彩，並且顏色深淺隨著角度的變化非常明顯。這同樣是由於光線照射在鱗片表面的物理結構，反射了特定波長光線的緣故。

其實不只是成蟲，構造色也可見於紫斑蝶的蛹。紫斑蝶的蛹呈亮麗金黃色或銀色，炫彩極為明顯，這是由於表皮底下層層排列的薄膜狀結構，對光線產生了影響。

當然，構造色的形式還存在許多昆蟲身上，常見的幻蛺蝶（Hypolimnas bolina kezia）、蘭嶼的珠光裳鳳蝶（Troides magellanus）都是構造色相當鮮明的例子。一些金屬質感的吉丁蟲、金龜子、灰蝶，其華麗的外觀往往也與構造色脫不了關係。

這一身醒目的光澤，對昆蟲而言可能帶有警告的意味，因為許多鮮豔明亮的昆蟲有毒，或嚐起來具有特殊臭味。日光下閃爍的炫彩也可能具有隱蔽的效果，或者與同種個體間的辨識溝通有關。

似白非白的鱗片

我們可能常常直覺的把構造色與光亮的炫彩畫上等號，事實上在大自然裡，生物的構造色不見得都是如此。

我們在平地或山區都有機會見到，分布範圍相當廣的白粉蝶（Pieris rapae），身上其實也具有大片的構造色，但我們在牠身上看不到光輝的炫彩現象。

白粉蝶的翅膀，有局部的鱗片具有黑色色素而形成深色斑塊，其他區域則主要呈白色，或略帶有一點淡黃。以往，白粉蝶身上單純的色彩多被認為是色素色，可是那些佔大多數的白色鱗片，實際上並不含白色的色素。

在白粉蝶的鱗片表面，具有許多枝狀的構造，其表面又附著了許多如珠子般的微小顆粒，顆粒本身也沒有色素成分。其實是這些顆粒反射了特定光線，導致翅膀呈白色的構造色。

不管是構造色的成因，以及所造就的色彩樣貌，當中複雜且多樣的機制，往往遠超出人類所想像。許多的昆蟲的表皮，構造色與色素色這兩類色源，並時常同時存在，兩者交織構成體表展現的色彩。

用「光」代替顏料上色

物理結構形成的色彩，理論上能夠長期存在，能夠避免褪色的問題，人類也從中得到了不少科技靈感，試圖在工業產品上重現這般的顏色。

日本的纖維公司便參考了閃蝶翅膀的原理，研發出不使用化學染料，而是運用物理特性顯現色彩，名為「藍默纖維」（Morphotex）的環保材質。這樣的材質有什麼優點呢？構造色呈色的纖維不需要經過傳統的化學染色製程，能減少產生的廢料，亦減低了水資源與能源的消耗。

如果掌握了不會褪色的顏色技術，還有機會應用在太陽能板塗料、印刷、化妝品、鈔票防偽等方面，幫助解決許多技術問題。

昆蟲及各式動物與生俱來的外貌，有時比人類費力研發出的技術都要精巧得多，甚至可能悄悄改變人類的生活。人類應該善待並維護自然資源，這顯然是很重要的一項理由。

參考資料

1. What Gives the Morpho Butterfly Its Magnificent Blue?
2. Vukusic, P., Sambles, J. R., Lawrence, C. R., and Wootton, R. J. (1999). Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proceedings: Biological Sciences, The Royal Society of London 266, 1403–1411.
3. Ragaei, M., H.S. Al-Kazafy, N.A.E. Farag, H.H. Elbehery, and A. Abd-El Rahman. (2017). Role of photonic crystals in cabbage white butterfly, Pieris rapae and queen butterfly, Danaus glippus coloration. Biosci. Res. 14: 542-547.
4. 王仁敏（2017）。蝶翼的絢麗幻色。蝶季刊 2017 卷 2 期：19 – 19。