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 日晚上九點，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。
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」。
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、小於一奈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。
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（Bionics），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。
熊柏凱於 TED X University of Akron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。
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。
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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