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Take Home Message
• 大自然中蝴蝶、甲蟲與孔雀等生物身上絢麗的色彩，其實並非來自色素堆疊，而是源於微觀結構的特殊排列。這些結構能引發光的干涉、繞射與反射現象，進而產生多變的結構色彩，稱為結構色。
• 當結構的排列具有週期性且擁有不同光的折射率時，便會形成規則性的光學結構。其中膽固醇液晶為透過溫度的變化改變液晶的螺旋排列結構，進而產生不同顏色。
• 膽固醇液晶的應用十分廣泛，包括彩色印刷、車用塗料、航太材料等溫控顏色變化材料，也可應用於生物醫學檢測，像是觀察吸菸行為對皮下血液通透性及局部溫度變化的影響。

我們看到的光是什麼？

在日常生活中我們看到七彩繽紛的顏色，這些是我們人類眼睛可以接收到的電磁波。一般來說，這個可見光的波長範圍是介於400 ～ 780 奈米（nm）之間，當這些波長綜合起來，我們看到的顏色就是白色光。若其中某些波長的光被阻擋掉，剩下的波長進入到我們的眼睛時，便會呈現該區段波長的顏色，而呈現彩色光澤。例如當入射光中只有620 ～ 780nm 的光通過進入眼睛，其餘的波長都被擋掉，我們所看到的顏色就會是紅色。如圖一所示，短波長呈現藍色光，而長波長則為紅色光，全部混和後就會變成白光。然而，當光的波長短於400 奈米，或是高於780 奈米，則不能被人眼接收，因此呈現無色，這些光我們分別稱為紫外光（ultraviolet, UV）及紅外光。

上述的可見光包含了化學顏色以及物理顏色兩大類，前者是因為塗料或物質本身具有某些化學官能基團（functional groups），會吸收光線中的某些波長。例如當白色光射到物體時，會因為某些光的波長被吸收、反射或透射，而使物體呈現彩色，例如日常生活中所見的彩色油漆、彩色塑膠產物、彩色玻璃紙等。物理顏色則俗稱為結構色（structure color），當物體結構尺寸為奈米階級時，入射光會產生布拉格（Bragg' s）干涉、繞射及反射〔註〕，而產生所謂的結構色。例如圖二中的方塊因為不同的折射率而產生紅色及黃色。方塊依結構的不同，又可分為一維、二維及三維光子晶體（photonic crystal）結構，其中光子晶體是由具有不同折射率的介質進行週期性排列的晶體所構成。不過在圖二中可以看到不管是哪種構造，都是由週期性排列的方式，透過不同折射率的介質形成具有規則性的光學結構。

〔註〕布拉格繞射是一種發生在晶體中的光線繞射現象，指的是當入射波與晶體中有序排列的原子層發生反射或干涉時，會在特定的角度產生建設性干涉。

物理結構色就在大自然中！

不管是爬山途中還是在都市公園裡散步，又或是去動物園，我們都能看到色彩斑斕的蝴蝶、鳥類、甲蟲、孔雀、蜂鳥等生物。起初，人們以為這些鮮豔的顏色是由許多不同顏色的色素所組成，再由人類的眼睛接收後組成繽紛的顏色。但實際上，若用顯微鏡觀察這些生物的表面，反而找不到帶有顏色的色素點，取而代之的是具有週期性排列的微觀結構，例如小突起、溝紋等。這些週期性微結構會使光線產生前面提到的布拉格反射、干涉、繞射等，因此讓生物呈現出豐富的彩色圖紋。圖三是有著鮮豔藍色翅膀的蝴蝶，用顯微鏡觀察時，可以觀察到翅膀上週期性排列的結構，就是這些微觀結構讓我們可以看見許多五顏六色的生物。

 
圖三｜蝴蝶的彩色翅膀以及放大後的週期性結構變化（Adobe Stock）

神奇的結構色—膽固醇液晶

日常生活裡的物質都具有固態、液態及氣態三相， 但有一種特殊的物質稱為液晶（liquid crystal）材料，它具有液態晶體的特性。液晶材料有不同的分子排列，可分為向列型、層列型及膽固醇液晶（cholesteric liquid crystal）（圖四a）。液晶分子間的作用力非常微弱，會受環境的溫度、電場及磁場等因素，而改變分子的排列與液晶的光學特性。目前日常生活中所用的液晶電視、液晶手錶等，就是利用液晶分子會因電場和磁場改變分子排列及光學特性的效應所設計。有趣的是，液晶材料若具有掌性（chiral）特徵〔註〕，則會形成膽固醇液晶，由於具螺旋結構的分子排列，讓材料有週期性的折射率變化，而呈現出結構色，同時它也是一種光子晶體（photonic crystal）。在圖四b 中的顏色則是由筆者研究團隊製備的膽固醇液晶高分子膜所呈現的結構色，會因環境溫度改變膽固醇液晶螺旋距的大小，而改變布拉格反射的波長，並產生出不同的顏色，這樣子的特性可以應用在日常生活中許多地方。例如藉由塗抹膽固醇液晶於物體表面上，可以觀察到肉眼無法觀測的溫度變化。

〔註〕掌性分子的碳原子（carbon） 會接上4 個不同基團，成為掌性中心。若將此分子放在一面鏡子前，可以得到鏡像，但此鏡像無法與原本的分子相互重疊，我們稱這種化合物具有掌性（chirality），就如同我們的左手與右手一樣，放在鏡子前，左手可以得到右手的鏡像，而右手可以得到左手的鏡像，但兩手即使有相同的組成，在立體空間上也不能相互重疊。

運用結構色技術，還可以讓風洞實驗中飛行器或飛彈的表面溫度高低以及溫度的分布一目了然。因此，膽固醇液晶有潛力應用於航空太空產業，分析機體及飛彈在空中飛翔時所遭受到的溫度上升及溫度分布情形。若以攝影機記錄顏色變化再搭配軟體分析，便可以得到溫度資訊， 有利於未來航太發展。……【更多內容請閱讀科學月刊第665期】