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不會褪色的藍色羽毛

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

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。

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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