大自然的色彩戲法

孔雀尾部羽毛變化萬千的色彩，一向讓許多人好奇不已。17世紀的英國科學家虎克曾說這些色彩“令人難以想象”，原因之一是孔雀的羽毛打濕時，色彩會隨之消失。虎克使用當時剛剛發明的顯微鏡研究孔雀羽毛，發現羽毛表面有微小的細長突起，他認為可能就是這些突起造成鮮艷的黃色、綠色和藍色。

虎克的猜測是對的。鳥類羽毛、蝴蝶翅膀和烏賊身上鮮艷的色彩，通常不是來自會吸收光的色素，而是大小僅數百納米的許多微小結構，這類結構的尺寸和間隔會從整個日光頻譜中篩選出特定波長。這些色彩通常像彩虹一樣艷麗，從藍到綠或是從橙到黃，神奇地不斷變化，視我們觀看的角度而定。因為這些色彩來自反射的光線，而不像色索是由吸收其他頻率的光所造成，所以往往更加鮮艷。在中南美洲的熱帶森林里，藍閃蝶在穿透樹冠層的陽光下，看起來就像會發光一樣，遠在1000米外就能看得見。

有關這些生物結構如何演化而來，我們所知不多，但至少知道它們如何形成，又如何產生美妙的色彩。大自然沒有電子柬等精密科技可用來蝕刻薄膜材料，因此必須依靠巧妙的構造。如果工程師能掌握這些原理，或許可以開發出能像烏賊保護色一樣隨時變換顏色的平價布料；或是把計算機芯片中的電子線路改成光學通道，便可以極高的速度傳輸信息。

以下便是大自然形成結構、創造出多變色彩的戲法，以及科學家嘗試利用這些戲法的方式。

犬藍閃蝶和藍摩爾蝶炫目的藍色來自翅膀鱗粉上復雜的納米結構：在鱗粉朝外的一面，會長出圣誕樹形的幾丁質構造。每棵“圣誕樹”上的平行“樹枝”可形成另一種繞射光柵，可以反射高達80%的入射藍光。而且因為這些“樹枝”不是平坦的，在某個視角范圍內只能反射出同一種顏色，縮減了色彩的豐富性。生物不一定希望自己的色彩會隨觀看者的角度而變化。

如同虎克在孔雀羽毛上觀察到的，當藍閃蝶的翅膀上有水覆蓋時，會改變光的繞射。因此，繞射系數不同的液體會造成不同的反射色彩。美國奇異公司全球研究中心的研究人員，與紐約州立大學奧巴尼分校的研究人員及英國艾克斯特大學的蝴蝶翅膀專家維克希克合作，開發模擬閃蝶的人造結構，用以制作能辨識某幾種不同液體的化學傳感器，依據接觸到的液體而變成不同的顏色。他們使用半導體產業的微影技術，在固體上蝕刻出這些結構。這種傳感器或許可以用來在發電廠偵測特定氣體，或偵測飲水中的雜質。

虎克在孔雀羽毛上發現的細長形突起確實能散射光線，但亮麗的色彩通常來自突起底下看不見的納米結構。彩色的鳥類羽毛、魚鱗以及蝴蝶鱗粉通常有微小而整齊的薄層或短桿，由能散射光線的致密材質構成。薄層或短桿之間的距離大約等于可見光的波長，因此會造成繞射現象。特定波長的入射光從表面反射出來后互相作用，形成“建設性干涉”和“破壞性干涉”，使反射光中的某些色彩增強，某些色彩減弱。我們把激光光盤左右傾斜時，可在反光面看見彩虹的各種色彩，也是同樣的原理造成的。

在蝴蝶的翅膀上，反光層是由幾丁質這種天然聚合物構成的。在翅膀鱗粉的堅硬表面下，反光層之間的空隙充滿空氣。在鳥類羽毛中，反光層或短桿是由黑色素構成，埋在角質之中。光學產業使用的繞射光柵是以極薄的兩種材質交替構成的，在望遠鏡和固態激光裝置等產品中用以過濾并反射單色光。

2010年，荷蘭葛羅寧根大學的史塔溫嘉發現，勞氏六線風鳥的雄鳥運用這種技巧時添加了巧妙的變化。這種鳥的胸羽有細如毛發的羽小枝，內部含有多個黑色素層，層與層間的距離可產生明亮的橙黃色反光。不過，它每根羽小枝的橫截面為V形，傾斜的表面也能反射藍光。雄鳥在求偶儀式中只要微微動一下羽毛，就可在橙黃和藍綠之間快速變換，以吸引雌鳥的眼光。

目前還沒有科技專家嘗試模仿這種效果，但史塔溫嘉猜想，未來的時裝和汽車產業可運用這類色彩變化：在衣料中添加V形小薄片，能讓服裝隨穿著的人的移動而變換色彩；將這種小薄片加入漆料中，則可讓車輛在行進間大幅變換色彩。