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向毛蜘蛛的「非常好色」學習

彭 琬馨
・2016/06/17 ・2464字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

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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。

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彭 琬馨
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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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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蝴蝶翅膀的夢幻色澤,藏著奈米科技
李鍾旻_96
・2021/07/27 ・2930字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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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。

英國自然史博物館收藏的黑框藍閃蝶(Morpho helenor peleides)標本。圖/作者提供

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。

File:Morpho sulkowskyi wings.jpg
閃蝶鱗片上的細微塔狀結構,其表面又有層層的溝紋與脊起,這是讓光線產生變化的主要因素。圖/Wikipedia

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。

不同角度下的大藍閃蝶(Morpho didius)標本,可見其金屬光澤會隨光照的來源有所變化。圖/作者提供

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。

圓翅紫斑蝶(Euploea eunice hobsoni)一身深褐色的鱗片平時看似不起眼,但翅背面在陽光下會轉變為鮮豔的藍紫色。圖/作者提供

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。

圓翅紫斑蝶的翅在某些角度下光澤不明顯。圖/作者提供

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。

圓翅紫斑蝶的蛹,外觀質感如同金屬。圖/作者提供

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

白粉蝶的翅膀上有著非炫彩性的構造色。圖/作者提供

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。

陽光下的異紋紫斑蝶(Euploea mulciber barsine),藍紫色光澤明顯。圖/作者提供

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。

李鍾旻_96
7 篇文章 ・ 8 位粉絲
目前大部分時間都在觀察、寫作和拍照,曾獲金鼎獎兒童及少年圖書獎、世界華人科普新秀獎、人與自然科普寫作桂冠獎等。著作:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》(2021)、《自然老師沒教的事6:都市昆蟲記》(2015)。

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流線型車頭、沙漠中汲水,還有哪些從大自然來的仿生好點子?——《知識大圖解》
知識大圖解_96
・2017/05/23 ・2379字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 509 ・六年級
相關標籤: 仿生學 (10)

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這些師法動植物的創新技術令人讚嘆不已

地球上的生物歷經數十億年的演化,才得以完美地適應棲息環境,在充滿競爭的世界中利用巧妙的方式克服障礙、存活下去。舉例來說,儘管某些寄生蜂不是非常有力,其長管狀的產卵器官卻能鑽進數公分厚的實木中。

這些寄生蜂藉由不斷來回搓動產卵管的兩片生殖瓣,將產卵器官鑽進木頭中,且鑽木的同時不會對周遭區域產生太大的干擾。這種鑽孔機制與我們目前運用在營建工程及神經外科手術上的鑽孔設備截然不同,但科學家已從寄生蜂的產卵技巧中汲取靈感,好設計出創新的工具,例如可控式醫用探針。

這類機智妙招在大自然中俯拾即是,許多領域的工程師都已開始認知到師法動植物所帶來的好處。從營建到戰鬥,仿生學(biomimicry)都正幫助我們找到解決舊問題的新方法,並替我們打開劃時代技術的大門,好讓人類的演化能再向前邁進一大步。

跟白蟻學建築

建築師米克.皮爾斯運用白蟻窩的原理,用一系列通風管和煙囪,能將熱氣帶往上方及室外,維持建築的涼爽和通風。圖/By Scott Bauer, Public Domain, wikimedia commons

當你想到世上最偉大的建築師時,浮現在腦海中的大概不會是白蟻。但這種生物能在一座土丘中打造出有儲藏室、通風口和花園等設施的龐大城市。

白蟻丘錯綜複雜的坑道系統善用了空氣對流(暖空氣上升、密度較高的冷空氣下沉),使溫度保持恆定,讓白蟻一年四季都能耕種主食──真菌。

建築師米克.皮爾斯(Mick Pearce)從這不可思議的傑作中汲取靈感,設計出無須使用空調設備,就能終年維持舒適溫度的永續建築。此建築物運用白蟻窩的原理,具備一系列通風管和煙囪,能將熱氣帶往上方及室外,維持建築的涼爽和通風。

啟發靈感的動物

牠們為哪些科技和工程傑作帶來靈感?

改良日本高速鐵路

新幹線 500 系電聯車的行進時速雖可達 300 公里,但卻會產生音爆。工程師從流線型的翠鳥鳥喙汲取了改造車頭的靈感,使新款列車變得更安靜、快速且節能。

工程師從流線型的翠鳥鳥喙汲取了改造車頭的靈感,使新款列車變得更安靜、快速且節能。圖/By Tennen-Gas, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

降低水中行進的阻力

鯊魚是強大的掠食動物,且有些鯊魚的時速可逾 50 公里!科學家認為鯊魚皮上覆蓋的骨鱗能降低游動時的阻力,便用此概念打造出流體動力表現更佳的船隻。

鯊魚皮上覆蓋的骨鱗能降低游動時的阻力,便用此概念打造出流體動力表現更佳的船隻。圖/By Allan Lee @ flickr, CC BY 2.0

製作保護色衣物

頭足綱動物能改變皮膚外觀的顏色,以躲避天敵或追蹤獵物;牠們利用肌肉收縮來呈現不同色素,好融入背景。工程師已仿效此原理, 未來可望用於「智慧衣著」。

頭足綱動物能改變皮膚外觀的顏色,以躲避天敵或追蹤獵物;牠們利用肌肉收縮來呈現不同色素,好融入背景。圖/By NOAA/MBARI, Public Domain, wikimedia commons

人工光合作用

用人造葉子將有害氣體轉為環保燃料

數億年來,植物一直維繫著動物的生命,藉由吸收二氧化碳、水和來自太陽的能量,來製造出氧氣和以碳水化合物形式存在的能量。目前科學家已研發出具有同樣功能的人造葉;事實上,這種人造葉捕捉太陽能的效率約為天然葉片的 10 倍。人造葉利用觸媒將水分離成氧和氫,再以特殊細菌把氫和二氧化碳轉化成液態燃料。

這項革命性的技術能夠製造出液態燃料,卻又不會產生碳足跡,因此將來可能會成為人類減少二氧化碳排放量的重要工具之一。

本圖節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 31 期(2017 年 04 月號)。

本圖節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 31 期(2017 年 04 月號)。

提升效率

動物如何造就科學發現?

魔鬼氈

學童不須大費周章綁鞋帶是件很棒的事,這都得歸功於仿生技術。一位工程師注意到:刺果上的小鉤會緊緊黏附在狗毛上,因此促成了魔鬼氈的發明。

一位工程師注意到:刺果上的小鉤會緊緊黏附在狗毛上,因此促成了魔鬼氈的發明。圖/By Kamranki, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons

改良風力發電機

儘管座頭鯨的體型碩大,牠們卻靈巧得驚人。因為座頭鯨的鰭肢邊緣有著稱為突節(tubercle)的大型隆起,這項特徵讓座頭鯨在進行精巧的動作時能增加升力、減少阻力。此原理能應用於風扇、飛機和風力發電機的設計。

座頭鯨的鰭肢邊緣有著稱為突節的大型隆起,讓座頭鯨在進行精巧的動作時能增加升力、減少阻力。此原理能應用於風扇、飛機和風力發電機的設計。圖/By 林 慕尧, CC BY-SA 2.0, wikimedia commons

沙漠集水

納米比沙漠是世上數一數二乾燥的棲地,但擬步行蟲(darkling beetle)卻能在此地求生;牠們能將尾部舉高,收集水汽。科學家發現這類甲蟲的前翅上有微小溝紋,有助於將水引向口部。這種溝槽現也開始被應用於集水設備的設計。

擬步行蟲能將尾部舉高,收集水汽。科學家發現這類甲蟲的前翅上有微小溝紋,有助於將水引向口部。這種溝槽現也開始被應用於集水設備的設計。圖/By Muhammad Mahdi Karim, GFDL 1.2, wikimedia commons


 

 

本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 31 期(2017 年 04 月號)

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