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孔雀羽毛與光子晶體

科學月刊_96
・2012/12/18 ・3111字 ・閱讀時間約 6 分鐘

結構色具有不同於色素色的特性,甚至永不褪色,
擁有著極為重要的應用前景。

文 / 資 劍、劉曉日(任教上海復旦大學物理學系)

始於二十世紀中葉的微電子革命,帶來了積體電路、晶片、電腦、行動電話這些連小學生都耳熟能詳的東西,深刻地改變了人類從生活到科技的方方面面,使人類進入了資訊時代,其核心就基於能操縱電子流動的半導體材料。

圖一:在半導體矽上刻蝕週期小孔陣列形成的光子晶體,小孔直徑約為250奈米。光通信波段1.55微米的光在小孔陣列中不能傳播,將沿著人為設計的通道傳播。(中國科學院物理所李志遠教授提供)

新穎光電技術—光子晶體

操控光的流動一直是人類的夢想。可以預測,這一目標一旦實現,對人類帶來的影響必將不亞於微電子革命。一個重要的原因是作為資訊載體,光子擁有電子所沒有的優勢,即速度快、帶寬大、相互間幾乎沒有影響。

受半導體中電子傳播特性的啟發,美國科學家亞伯龍諾維其(Eli Yablonovitch, 1946~)和加拿大科學家約翰(Sajeev John, 1957~)在二十世紀八十年代末分別獨立提出了光子晶體(photonic crystal)這一新概念。即將兩種或以上的光學材料,按照某種空間結構作週期性地排列。與電子在半導體中傳播的情形相似,光子在光子晶體中的傳播行為,也將會受到人為引入的週期性空間結構所改變,表現出與體塊材料完全不同的特性,形成與半導體中電子能帶結構類似的光子能帶結構(photonic band structure)。在光子能帶結構中,頻率落在光子能帶中的光波,可以在光子晶體中傳輸。光子能帶之間有可能沒有交疊,即出現所謂的光子帶隙(photonic band gap)。頻率落在光子帶隙中的光波是無法在光子晶體中傳播的。由於光子帶隙之特性類似與半導體中的電子帶隙,因而光子晶體有時也被形象地稱為光半導體。倘若在光子晶體中引入缺陷通道,即可形成類似於電子線路(亦即運動路徑)的光子線路,那麼光就會沿著預先設定的通道傳播,進而達到如願操控光束傳播運動的目的。

由於其優異的光學特性,用光子晶體可以製作光子集成(integrated)光路、光子晶片,以及全新原理的高性能光子器件。在資訊科技等領域中,它顯現出重要的應用前景。例如,用光子晶體器件來替代傳統的電子器件,資訊處理的速度將會快得無法想像。自從提出光子晶體器件以來,它們受到國際科技界的高度重視,投入了很大的力量,進行科學研究
和技術開發,已經形成一門蓬勃發展的新學科。

天然的光子晶體

事實上,自然界早就存在著光子晶體。蛋白石(opal)是一種產於澳洲的彩色寶石,它是由150~300 奈米的透明二氧化矽小球、週期性密堆排列而成的光子晶體。當自然光照射到蛋白石時,其中某些顏色的光能透過,而有些顏色的光則被強烈地反射。這些光入射到我們的眼睛時,就會顯現出絢麗的七彩。大自然處在地質成礦階段時,這種鬼斧神工居然也被一些昆蟲在漫長的物種演化時習得了。科學家發現某些象鼻蟲(weevil)的鞘翅展現出明亮的色彩,就是來源於鞘翅上鱗片內是幾丁質(chitin)小球密堆而成類似於蛋白石光子晶體的結構。

色彩的形成機制—色素色、結構色

我們周遭的世界是斑斕多彩的,自然界產生色彩的主要來源有兩種途徑,其一為色素,另一種則為結構色。色素色是最普遍和常見的顏色,來自於色素有選擇性地吸收某些顏色的光,而反射和散射其他色彩的光,如紅色素之紅色是由於其吸收了黃、綠和藍色的光。結構色的起源與色素色完全地不同,它是由干涉、繞射和散射等光學效應所造成。我們熟知的肥皂泡的顏色是由於肥皂薄膜的干涉,光碟的色彩源於其中凹槽陣列的繞射,而天空的藍色則是大氣分子對光散射的結果,這些顏色都與色素無關,它們是結構色。

結構色普遍存在於自然界中,如某些昆蟲、蝴蝶、鳥類羽毛、海洋生物、動物皮膚,甚至植物都會呈現出明亮的結構色。自然界中產生結構色的結構種類形形色色,有薄膜、多層膜、繞射光柵,甚至是光子晶體。孔雀的羽毛,就是由光子晶體產生結構色的一個典型例子。

圖二:雄性孔雀的藍、綠、黃、棕彩色小羽枝的可見光反射譜。(作者提供)

孔雀羽毛為何特別漂亮?

孔雀或許是世界上色彩最斑斕的鳥類,雄性孔雀的尾部拖著長長的羽翎,根根綴著由藍、綠、黃、棕等彩色小羽枝構成的「眼圈」紋圖。開屏時,反射出鮮豔奪目的虹彩光澤。這種美麗引起人們無限的遐思,認為它象徵著神聖、愛情、純潔和重生。孔雀羽毛絢麗色彩的起源,也引起了虎克、牛頓、邁克爾遜等許多科學巨匠們的極大興趣。不過真正揭開這個起源的秘密,則是我們幾年前的研究工作。

我們用電子顯微鏡觀察了這些不同色彩小羽枝的微觀結構,發現小羽枝的皮層是光子晶體,它是由角蛋白為基、其上鑲嵌著二維週期排列的黑色素小柱子,並且陣列式地排列而構成。在各個小柱子之間,還存在著空氣小孔所形成的陣列。黑色素和角蛋白都是常見的生物材料,黑頭髮的黑色就是來源於黑色素,而指甲中的成分就是角蛋白。

七彩羽翼的奧秘

電子顯微鏡觀察告訴我們,不同顏色小羽枝所形成的光子晶體結構,均非常地相似,其中的差異來自於黑色素小柱子間的不同間距。藍色、綠色和黃色小羽枝中黑色素小柱的排列,都呈現出方形結構,其間距分別約為140、150、160奈米。就因為這小小的差異,導致小羽枝的呈現出不同的顏色。從測量得到的可見光反射譜中,可以看到它的反射峰。它們分別位於470 、530和570 奈米處,正好對應到可見光譜段中的藍色、綠色和黃色範圍。經過理論分析發現,由於干涉和散射的聯合效應,小羽枝中的光子晶體對光具有選擇性反射的性質。如綠色小羽枝中光子晶體的禁帶,恰好對應到綠光的光子波長。所以小羽枝們對綠光有很強的反射效果,而其他顏色的光卻可以通過光子晶體,而呈現出綠色。皮層光子晶體對光的選擇性反射,主要取決於黑色素小柱子們的間隔。若間距不同,則會使孔雀羽毛的光子禁帶不同。這樣,反射光的顏色就會不同,進而造成小羽枝不同的色彩。

圖三:(左)小羽枝的電子顯微鏡橫截面圖,兩邊的皮層是有序的光子晶體結構。(右)小羽枝皮層的光子晶體結構橫截面示意圖,灰色部分為角蛋白,黑色圓點代表黑色素小柱子,白點是空氣小孔。(作者提供)

至於孔雀羽毛中棕色的小羽枝,則和上面所述的結構略有不同。棕色是一種混合色,沒有藍、綠、黃小羽枝顏色那麼樣的鮮豔。在可見光反射譜中,它呈現的不是單一峰。在電子顯微鏡中,我們也能觀察到棕色小羽枝中黑色素小柱子的排列,它是一種長方形結構。其在垂直羽枝表面方向的尺度較大,約為185奈米。所以,這種結構主要反射自然光中的紅色波段。由於棕色小羽枝的皮層厚度最小,會導致很強的費布力–佩若(Fabry Perot)干涉現象。在可見光中的藍色波段內,形成另外一個反射峰。最終,藍色和紅色混合,呈現出較為黯淡的棕色色彩,以襯托尾羽中眼斑的靚麗,這真是大自然的巧奪天工啊!另外還有一微妙之處,那就是棕色小羽枝平行於皮層方向的黑色素小柱子之尺度和綠色小羽枝160奈米的間距相仿。因此,當雄孔雀不再炫耀其美麗羽毛時,若在斜射方向觀察,則會看到雅緻的綠色,重又融入森林的背景色中,這是一種典型的虹彩效應。

我們所揭示孔雀羽毛調控色彩的策略,非常地精妙。意即,利用奈微尺度的光子晶體,稍微地變化其結構參數,就可獲得不同色彩的結構色。結構色具有許多色素色所沒有的美妙特性,如虹彩色澤、高亮度和色彩飽和度。一旦改變結構,就可以改變顏色,而且永不褪色。因而,在生物仿生製備新型環境的友好顏料、顯示等領域中,結構色擁有著極為重要的應用前景。同時,從研究自然界光子晶體調控光顯現的策略中,我們可以獲得意想不到的靈感和啟發,進而為未來的科技、設計、製備出新型的光子結構材料和器件。

轉載自《科學月刊》第四十三卷第十二期

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「駝背、變矮、下背痛」是骨質疏鬆警訊!及早治療以免骨折造成失能

careonline_96
・2021/09/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘
駝背、變矮、下背痛,當心骨質疏鬆警訊,以免骨折害性命!骨科醫師圖文解析

李女士是活動力很好的人,到了六十多歲依舊忙進忙出。這天她如往常般彎腰搬起一個箱子時,突然感到背部劇痛,整個人跌坐在地,完全站不起身,最後只能在救護人員的協助下抵達急診室。

「聽完病人的描述,我們大概就可以猜到是因為骨質疏鬆,彎腰搬重物所造成的脊椎骨骨折。」義大醫院骨科部脊椎科楊士階醫師表示,「骨質疏鬆患者因為彎腰搬重物所導致的脊椎骨折比較常發生在胸腰椎交界的地方,若是在滑倒時用手去撐地,可能骨折的部位是手腕關節,或是髖關節的股骨頸。」

骨質疏鬆症是全身性骨骼疾病,會在無聲無息中逐漸惡化,倘若沒有接受檢查,患者大多沒有自覺,楊士階醫師說,很多患者都是在骨折突然發生時才發現嚴重骨質疏鬆。

骨質疏鬆本身雖然不會致命,但是在骨折之後,患者可能被迫臥床且疼痛難耐,生活品質大受影響,各種併發症也會接踵而至。根據統計,髖部骨折患者一年內的平均死亡率高達 22% [1],對中老年人而言,是不容忽視的健康威脅。

此外,在骨折之後,患者可能會失能,甚至得完全仰賴他人照顧,為個人及家庭帶來沉重的負擔。

台灣人口逐漸高齡化,楊士階醫師強調,及早發現、積極治療,才能預防骨質疏鬆症造成的危害。

三項自我檢查,及早發現骨質疏鬆

骨質疏鬆症常發生在停經後的婦女,大概五十多歲,楊士階醫師指出,不過較高齡的老人大概六十五歲以後不管男性、女性都有可能出現骨質疏鬆。2005〜2008 年國民營養調查報告指出台灣 50 歲以上男性與女性,以雙能量 X 光吸光式測定儀檢測骨鬆症,分別為 23.9% 及 38.3% [2]。

我們可以替自己或家人先做個簡單的評估,如果有駝背現象、身高變矮 4 公分以上、常常感到下背疼痛,就要懷疑有骨質疏鬆的問題。

骨質疏鬆警訊要注意

年紀較大或出現骨質疏鬆警訊的民眾,務必盡快就醫,楊士階醫師說,檢查骨質密度可以利用定量超音波骨密度檢查儀或雙能量 X 光吸光式測定儀(dual-energy X ray Absorptiometry,DXA),超音波檢查的速度較快、便利性高、沒有侵入性,X 光檢查的準確度較高,能夠針對脊椎與髖關節進行掃描,檢查時間大約 15〜20 分鐘。

骨密度檢查的報告會標示 T 值(T-Score):

  • 當 T 值大於或等於 -1.0 時屬於「正常」
  • 當 T 值介於 -1.0 至 -2.5 之間稱為「骨質缺乏(osteopenia)」
  • 當 T 值等於或小於 -2.5 時,稱為「骨質疏鬆症(osteoporosis)」。
  • 如果患者已有骨折發生時,稱為「嚴重性骨質疏鬆症」。

運用骨密度檢查我們可以利用較客觀的數據了解骨質的狀況,楊士階醫師說明,如果骨密度檢查屬於骨質缺乏、甚至骨質疏鬆,建議要接受進一步的治療。

國際骨質疏鬆症基金會也有製作骨折風險評估工具(Fracture Risk Assessment Tool,FRAX),填入年齡、性別、體重、身高、骨折病史、父母髖骨骨折病史、抽菸、類固醇使用、股骨頸骨質密度等資料,便能估算未來十年發生骨折的風險。

積極治療骨質疏鬆,預防骨折

我們骨頭中具有造骨細胞與破骨細胞,造骨細胞(Osteoblast)會產生新的骨質,破骨細胞(Osteoclast)則會吸收骨質,讓骨頭一直處在動態平衡的狀態。

楊士階醫師解釋,想要治療骨質疏鬆,可以從這兩個方面著手,抑制破骨細胞或刺激造骨細胞。

抑制破骨細胞的藥物包括雙磷酸鹽、雌激素、選擇性雌激素調節劑、RANKL 單株抗體、抑鈣素等,可以減少骨質被吸收。

刺激造骨細胞的藥物源自人類的副甲狀腺素,可以促進造骨細胞生成骨質,需要每天皮下注射。

積極治療骨質疏鬆

目前還有一類藥物屬於雙重機轉藥物,能夠降低破骨細胞的骨質吸收作用,且能增加造骨細胞的骨質生成作用,有助降低骨質疏鬆患者發生骨折的機率。接受骨質疏鬆治療時,請記得每天要補充鈣質與維生素 D。

預防骨質疏鬆,可以這樣做

隨著年紀增加,骨質會持續流失,我們要從年經時便增高最大顛峰骨量,預防骨質疏鬆,楊士階醫師說,日常生活中請盡量減少骨質疏鬆的危險因子,包括戒菸、戒酒,也要減少咖啡因的攝取。

每天攝取足量的鈣質與維生素 D,有助維持骨骼健康。國際骨質疏鬆症基金會建議,50 歲以上成人每日鈣質攝取量須達1200 毫克,維生素 D 攝取量須達 800 至 1000 IU 國際單位(international units,IU)[2]。

鈣質必須由食物中獲得,富含鈣質的食物包括乳製品、豆類、深綠色蔬菜、海帶、香菇、堅果、芝麻等。

接受日照後,身體可以合成維生素 D,每天要適度接受日照,食物方面可選擇牛奶、起司、蛋黃、海水魚、淡水魚、蕈菇、黑木耳等。

倘若無法由食物中攝取足量鈣質與維生素 D,便可適度補充。

預防骨質疏鬆,可以這樣做

負重運動有助增加骨質密度,肌力足夠也能改善平衡、減少跌倒及骨折風險。從年輕便養成規律運動的習慣,好處多多!

貼心小提醒

骨質疏鬆是每個人都可能遭遇的問題,由於骨質流失時通常沒有明顯感覺,很多患者都是在骨折發生後,才驚覺患有骨質疏鬆症,楊士階醫師叮嚀,如果具有危險因子,如年紀較大、抽菸、飲酒過量等,或是觀察到有駝背現象、身高變矮 4 公分以上、常常感到下背疼痛,建議就醫接受骨質密度檢查。
如果有骨質缺乏、甚至骨質疏鬆的狀況,務必定期追蹤並積極接受治療,以降低骨折及其他併發症發生的機會!

本衛教文章由台灣安進協助刊登

參考資料

  1. Downey C, Kelly M, Quinlan JF. Changing trends in the mortality rate at 1-year post hip fracture – a systematic review. World J Orthop. 2019;10(3):166-175. Published 2019 Mar 18. doi:10.5312/wjo.v10.i3.166
  2. 2020台灣成人骨質疏鬆症防治之共識及指引

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