大閃蝶翅膀的鮮豔藍色長期以來不僅吸引了鱗翅目昆蟲學家，也吸引了化學家。後者的興趣源於翅膀內部分層排列的複雜奈米級蛋白質結構：它們的形狀像稜鏡，反射出令人驚歎的蔚藍色。材料科學家希望最終利用這些結構的特性來製造油漆和化妝品等產品——不使用可能對人類健康和環境有害的染料和顏料。
如何經濟實惠地將這種“結構色”概念應用於各種產品一直是個棘手的問題。但現在，位於加州伯克利的初創公司Cypris Materials的化學家表示，他們正在接近實現這一目標的方法。他們表示，他們已經開發出無需使用染料或顏料的著色劑，這些著色劑可以在電磁波譜的紫外、可見光和近紅外區域產生色調，並且可以用於從汽車油漆到印表機墨水和指甲油等各種應用。“他們在急需創新的領域取得了進展，而且看起來他們已經從實驗室躍入現實世界。這非常令人印象深刻，”Zymergen公司的傑出研究員、綠色化學的先驅約翰·華納說，他沒有參與Cypris Materials的工作。
幾個世紀以來，傳統顏料和染料一直被用於為織物、油漆和其他日常應用新增顏色。它們透過吸收或反射光的方式來賦予各種色調。例如，一件襯衫中的紅色染料包含稱為髮色團的分子成分，這些分子成分會吸收除紅色以外所有顏色的光波——所以我們看到的是紅色。但是，其中涉及的一些化學物質，例如偶氮染料，含有與癌症和其他有害影響相關的物質。許多國家已經禁止使用它們。
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然而，結構色來自微觀結構，其不同的形狀以不同的方式反射或折射光。例如，大閃蝶翅膀上的微小鱗片覆蓋著具有橫肋的微小脊——有點像冷杉樹的輪廓。這些結構折射特定的光波長以產生鮮豔的藍色。其他結構產生類似的效果：例如，螺旋排列的纖維素微纖維使彈珠漿果閃耀著有光澤的金屬藍色。科學家仍在研究結構色在自然界中顯現的更精細的細節。但他們已經知道，結構中特徵的大小和體積以及材料本身主要決定了光線如何從該結構中反射——以及產生什麼顏色。
Cypris Materials跨越可見光譜的蛋白石結構色樣品。圖片來源：Ryan Pearson
Cypris Materials使用所謂的自組裝嵌段共聚物來建立基於結構的著色劑。它們是長鏈分子，在這種情況下，它們將兩種不同型別的常用塑膠（例如聚丙烯酸酯或聚酯）縫合在一起。當配製成油漆或墨水並塗在表面上時，這些共聚物會自行排列成整齊有序的層狀結構，從而折射光線。要理解這是如何工作的，想象一下一半黃色一半綠色的軟糖蟲，每種顏色代表不同的塑膠。如果將一大袋這些軟糖蟲排列好，使每個軟糖的黃色和綠色部分僅接觸其他軟糖的相同顏色的一半，它們將形成一個多層結構。Cypris的共聚物在放入溶液中時會自行完成此操作，聚合物鏈的長度決定了反射光的波長。短共聚物鏈折射較短的光波長：紫外線、藍色和綠色。較長的鏈折射光譜中橙色、紅色和近紅外部分中較長的波長。
自組裝共聚物並非新生事物，但該公司表示，它已取得了兩項關鍵進展：其材料在日常環境條件下（例如在塗漆時）自組裝，並且可以產生反射長波長光的更長鏈。“能夠使其進入更紅的顏色——沒有人能夠透過結構色做到這一點，”加州理工學院的諾貝爾獎化學教授、該公司的聯合創始人兼顧問羅伯特·格拉布斯說。“他們取得的進展比我認為可能取得的進展要大得多。”
這種新型著色劑以粉末形式出現，Cypris Materials表示可以將其納入製造過程中——例如新增到汽車噴槍中的油漆中，或混合到指甲油中。著色劑也像粘合劑一樣起作用，粘合劑是在油漆乾燥在表面上時新增到溶液中以保持顏料和染料的化學物質。該公司聯合創始人兼代理執行長瑞安·皮爾遜說：“我們正在簡化油漆。”傳統上，“人們需要新增顏料。他們還需要新增額外的新增劑來穩定油漆。我們不僅消除了對顏料和染料的需求，還消除了穩定它的所有額外成分的需求。”
經常新增到油漆中以幫助穩定顏料的其他化學物質包括表面活性劑。新型著色劑是否會使這些化學物質變得不必要還有待觀察，但“如果他們能夠替代表面活性劑或在不使用烷基酚（廣泛用於油漆中以防止分離的化學物質）的情況下進行配製，那肯定是我們認為的積極進展，”健康建築網路的首席研究官特蕾莎·麥格拉思說，健康建築網路是一個非營利組織，旨在推廣使用可持續且毒性較小的材料，並且與Cypris Materials無關。
這種新方法與其他結構色應用形成對比，例如用於製造可以應用於窗戶以改善隔熱效果並節省能源的薄膜。該技術涉及建立和組合許多層薄膜，以實現反射紅外光的結構。但是這些薄膜只能應用於某些表面，使得新型結構色技術可能更通用。
這家初創公司的著色劑仍然有待克服的障礙和可能的侷限性。例如，它們可能無法在價格上與某些顏料（例如二氧化鈦）競爭。該公司還需要對其共聚物和製造工藝進行全面分析，以確認其著色劑確實比傳統染料和顏料更安全、更環保。“它不會是完美的，”華納說。但是，“追求完美是卓越的敵人。科學是透過這些進步的步驟來工作的。”