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重點提要
■ 鳥類、蝴蝶、烏賊和其他生物經常呈現鮮豔或變化多端的色彩。這些色彩不是來自色素，而是來自有系統的奈米結構。研究人員才剛剛開始著手研究這類結構。
■ 這些奈米結構的幾何排列可能整齊或不整齊，只會反射特定波長的光、形成特定的色彩。這些結構如果沾濕或尺寸發生變化，在某些狀況下還會改變色彩。
■ 科學家正在模擬這類生物結構、製作合成材料，未來將可開發出動一下就會改變色彩的汽車或服裝、可偵測飲水中雜質的感測器、行動電話用的高效能光學晶片，以及極難偽造的信用卡驗證標記。
孔雀尾部羽毛變化萬千的色彩，一向讓許多人好奇不已。17世紀英國科學家虎克（Robert Hooke）曾說這些色彩「令人難以想像」，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豔的黃色、綠色和藍色。
虎克的猜測是對的。鳥類羽毛、蝴蝶翅膀和烏賊身體上鮮豔的色彩，通常不是來自會吸收光的色素，而是大小僅數百奈米的許多微小結構，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豔麗，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，而不像色素是由吸收其他頻率的光所造成，所以往往更加鮮豔。中南美洲熱帶森林裡，藍閃蝶在穿透樹冠層的陽光下，看起來就像會發光一樣，遠在一公里外就看得見。
科學家正逐步了解生物身上這些精細的奈米結構如何操縱光線。同時，工程師也模仿這些生物結構，以設計新穎的人造光學材料。這些材料可用來製作更亮麗的顯示器、新型化學感測器，以及改良資訊的儲存、傳輸和處理技術。
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。大自然沒有電子束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，或許將能開發出能像烏賊保護色一樣隨時變換顏色的平價布料；或是把電腦晶片中的電子線路改成光學通道，便可以極高的速度傳輸資訊。以下是大自然形成結構、創造出多變色彩的戲法，以及發明家嘗試利用這些戲法的方式。
1 耶誕樹效應
大藍閃蝶（Morpho didius）和藍摩爾蝶（M. rhetenor）炫目的藍色來自翅膀鱗粉上複雜的奈米結構：在鱗粉朝外的一面，會長出耶誕樹形的幾丁質構造。每棵「耶誕樹」上的平行樹枝可形成另一種繞射光柵，這些陣列可以反射高達80%的入射藍光。而且因為這些陣列不是平坦的，在僅能將單一色彩反射到某個視角範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，繞射係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（Pete Vukusic）合作，開發模擬閃蝶的人造結構，用以製作能辨識某幾種不同液體的化學感測器，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。這種感測器或許可用來在發電廠偵測特定氣體，或偵測飲水中的雜質。
2 層層疊疊
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奈米結構。彩色的鳥類羽毛、魚鱗以及蝴蝶鱗粉，通常有著微小而整齊的薄層或短桿，由能散射光線的緻密材質構成。薄層或短桿之間的距離大約等於可見光的波長，因此會造成繞射現象。特定波長的入射光從表面反射出來後互相作用，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。我們把雷射光碟片左右傾斜時，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。在翅膀鱗粉的堅硬表面（角質層）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，包埋在角質（構成頭髮和指甲的蛋白質）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，在望遠鏡和固態雷射裝置等產品中用以過濾並反射單色光。
荷蘭葛羅寧根大學的史塔溫嘉（Doekele G. Stavenga）於2010年發現，勞氏六線風鳥（Parotia lawesii）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髮的羽小枝，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需微微動一下羽毛，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，時裝和汽車產業未來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。
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