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不會褪色的藍色羽毛

小斑
・2013/12/04 ・1602字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

大部分人想到羽毛的顏色可能會想到由有機化合物組成的色素,但除了會褪色的色素以外,科學家已經發現在鳥類的羽毛還有蝴蝶甲蟲的殼上,有奈米結構層,因為不同波長的光干涉和繞射的情況不同,而顯現出特定的顏色,因為是物理結構,顏色可以保存很久。[1][2]

thin-film interference其中有個原因是薄層干涉(thin-film interference),在日常生活中的泡泡表面閃亮的顏色也是因為這個原因。看右邊的圖,由於打到第一層的光(B)和打到第二層的光(A)走的距離不同,只有一些特定波長λ的光,才能在這樣的薄層間距d下,在特定的角度θ下,產生建設性干涉(C),加成一個明顯的波(上)。波長或角度不對甚至會互相抵銷(下)。因此特定的間距可以顯現出特定的顏色,物理結構就可以造成我們看到的顏色不同。

 

 

blue birds

但若鳥類的羽毛上都是一層層排列整齊的晶體,會像是穿了一堆亮片。Richard Prum教授的團隊觀察到鳥類的藍色羽毛,是由β角蛋白(β-Keratin)與空氣氣泡交錯,構成一些大範圍沒有完整重複性但小範圍高度整齊排列的非結晶型奈米結構,顯現出特定的顏色(A,B)。Richard Prum教授的團隊就特別用小角度X光繞射(E,F),研究幾種鳥類藍色羽毛的奈米結構(C,D)。[3]他發現主要有兩種不同的型態:管道型和球型,如右圖。

接下來他就很好奇,究竟鳥類要如何控制長出一樣顏色的羽毛呢?(顏色差太多大概就會被認為非我族類,沒鳥要找牠交配了)Richard Prum發現鳥類藍色的羽毛中這兩種奈米結構分別與物理上觀察到的相分離(phase separation)中自組裝(self-assemble)的現象很相近,管道型很像合金冷卻後的旋節分解(spinodal decomposition, SD),球型則比較像是啤酒裡的二氧化碳從啤酒中分離,形成圓形的氣泡(nucleation & growth, N&G)。Prum認為,透過相分離,可以達到kinetic arrest,在動力學上非常穩定,就把結構鎖定,不會再變了

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什麼是相分離?

phase separation就像剛剛說的啤酒,本來二氧化碳溶在水裡待得好好的,後來變成氣態跑出來。根據熱力學,物質偏好比較穩定的狀態存在,隨著溫度跟組成成分的不同,一堆混合物的穩定狀態很可能是均勻混合或是不同相分離(e.g. 油和水),造成最後穩定狀態是局部的相分離則是動力學上條件的結果(繼續反應下去的速度極小可忽略)。

同樣都是相分離,為什麼結構一個像是很多條蟲(SD),一個有很多小球(N&G)?如右上圖所示,T=溫度,Φ是容積比,黑色線以上是均勻混合,黑色線以下會局部相分離。根據混合物比例不同,相分離時會產生不一樣的結構:SD和N&G。看到這裡,你千萬別以為鳥類在長羽毛細胞的時候,還得先發高燒再冷卻下來。

再看右下的圖,隨著聚合反應發生,在同樣的溫度下,就會從均勻混合變成相分離,也就是圖中淺黃色的部分。因此他推估,透過產生β角蛋白的速度與量,控制聚合反應,就可以控制羽毛中的最終結構,而展現出不同的藍色。

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目前Prum的實驗室也成功重製,模仿上述那種球型奈米結構,做出來的顏色很像。希望以後的衣服、烤漆就不會被曬到褪色囉!

參考資料:


[1] M. Srinivasarao, Chemical Reviews, 1999, 99, 1935–1961.

[2] P. Vukusic and J. R. Sambles, Nature, 2003, 424, 852–85

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小斑
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PanSci實習編輯。 一顆在各個學科間漂流的腦袋~

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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【成語科學】雨過天青:天空為什麼是藍色的?傍晚的橘紅色天空又是怎麼形成的?
張之傑_96
・2023/10/06 ・1183字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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下過雨後,天空藍得透明。這個自然現象,衍生出成語雨過天青,比喻情況由壞轉好。雨過天晴也有同樣的意思,不過仍以雨過天青較為正式。閒話少說,讓我們造兩個句吧。

這事挽救及時,現已雨過天青。

雨過天青,您的事可以放心了。

下過雨後,天空藍得透明。圖/pixabay

這個成語還有個故事呢。有一種瓷器,稱為雨過天青,起源於五代‧後周柴世宗。某日臣子請示,皇家瓷器要燒成什麼顏色?柴世宗隨手批示:「雨過天青雲破處,這般顏色作將來。」工匠經過多次實驗,終於燒製出來,這就是有名的「柴窯」。由於沒有作品傳世,柴窯的真面目已無從查考。

談到這裡,該談談這個成語的意涵了。大雨過後,天空為什麼藍得透明?這是因為空氣中的灰塵隨著雨下降下,空氣較為潔淨的關係。喜歡打破沙鍋問到底的小朋友或許還會問:為什麼空氣潔淨、天就較藍?

這要從天空為什麼呈藍色說起。空氣的成份,主要是氮氣和氧氣。晴天的時候,射到地球上的陽光碰到空氣中的氮分子或氧分子,會引起散射作用。藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。

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藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。圖/pixabay

這個道理看起來好像很簡單,但是人類明白這個道理是 19 世紀末的事。1873 年,英國物理學家瑞利是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論——瑞利散射,破解了天色的秘密。

在陽光的七種色光中,紅、橙、黃光的波長較長,藍、靛、紫光的波長較短。空氣中的氧分子、氮分子,大小恰好可以散射波長較短的藍光,藍光散了一天,天空當然呈藍色的。

到了傍晚,夕陽西下,陽光打斜裡射過來,較接近地面,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,粒子比氧分子、氮分子大得多,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光,艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。

陽光打斜裡射過來,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光。圖/pixabay

如果天上懸浮著小水滴,也就是雲,那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多,各種波長的色光都能被它散射,結果雲就成為白色的。如果雲層較厚較密,陽光穿不過去,就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗,不過是陽光玩的把戲而已!

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當雲聚成雨滴的時候,顆粒就更大了,大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已出太陽,一邊還在下雨,陽光穿過雨滴,就會形成彩虹。噴泉和瀑布上也可以出現彩虹,原理是一樣的。

張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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【成語科學】青出於藍:用藍草提煉出的藍染染料——靛青
張之傑_96
・2023/10/04 ・1065字 ・閱讀時間約 2 分鐘

戰國時大哲學家荀子寫過一篇〈勸學〉,鼓勵大家好好學習。

文章中有這樣一段話:「青,取之於藍而青於藍;冰,水為之而寒於水。」意思是說,靛青是從藍草中提煉出來的,但顏色比藍草還要青;冰是水結凍而成的,但溫度比水還要低。

成語「青出於藍」就是從這段話演變出來的,用來比喻弟子勝過老師,或後輩優於前輩。談到這裡,讓我們造兩個句吧。

他的繪畫得自母親傳授,但已青出於藍。

名師出高徒,這些學生早已青出於藍了。

接下去要談談這個成語的科學意涵了。首先要說明的是:「青」這個字,除了有綠的意思,也有藍的意思;譬如「青天」,指藍天;青瓷,指藍色的瓷器;靛青,指一種藍色的染料,用來「藍染」,將白布染成藍色。

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譬如「青天」,指藍天。圖/pixabay

靛青,一般稱作靛藍。用來提取靛藍的植物主要有 4 種:爵床科的馬藍,豆科的木藍,蓼科植物蓼藍和十字花科的菘藍。台灣一般將藍草稱作大菁,其中最常用的是馬藍。

提取藍靛,首先要將馬藍的新鮮葉子浸泡在水中,讓葉子腐爛,溶解出藍靛。然後撈出腐爛的葉子,加入適量的石灰,攪拌,使藍靛和石灰起化學作用,待沈澱成不溶性的泥狀物,取出過濾,就可以得到藍靛。

泥狀物的靛藍,不溶於水,無法直接染色,必需先將其「還原」成暗綠色染液,這個過程稱為「建藍」。建藍的工序很複雜,限於篇幅,就不多說了。當要染的布自染缸中取出,染料一接觸空氣,就會進行「氧化」作用,再度「還原」成為不溶性的靛藍。

染布的時候,要反覆地在染缸中浸泡,取出擰乾、晾曬,讓染料與空氣中的氧起氧化作用,就會從暗綠色轉變成藍色。染的步驟重複愈多次,色調就會愈深。染好了用水漂洗,洗到水變清為止,然後以醋定色,晾乾後就大功告成了。

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藍染的時候,如果按照事先設計好的方式,把布紮起來,被紮緊的地方染色較淺,這樣就可以染出自己設計的圖案,這是藍染最迷人的地方。

藍染可以染出自己設計的圖案,這是藍染最迷人的地方。圖/pixabay

自從有了化學染料以後,費時、費工的藍染漸漸退出歷史舞台。然而藍染的藝術性以及個性化,使得這一流傳幾千年的工藝仍綿延不絕。如今三峽等地仍有藍染作坊,如三峽歷史文物館旁的藍染展示中心,還可供人 DIY 呢。

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