顏色（colors）是一門大學問，它與材料對光（light）或電磁波（electromagnetic waves）的吸收（absorption）、反射（reflection）與再發射（remission）等作用有關。許多材料都有顏色，譬如紅色的東西是不吸收紅光而反射紅光。也有一種材料是先吸收比紅光之頻率與能量更高的電磁波，如藍光與紫外線，然後再放出紅光。如果紅光很快就放完，該作用稱為螢光（fluorescence），否則稱為磷光（phosphorescence）。前者如螢光筆所作之記號，在熄燈時顏色即不見。後者如鐘錶所用之夜光塗料，熄燈後兀自發亮一段時間。

電磁波的頻率（ν）範圍相當大，頻率越高，能量越高。電磁波的波長（λ）與頻率成反比，一般分為波長極短之X光、紫外光（ultraviolet，190 nm <λ< 380 nm）、可見光（380 nm <λ< 760 nm）、紅外光（λ> 760 nm）與波長更長之微波等。請注意只有可見光才是吾人此處所謂之顏色。如果材料對可見光完全吸收，則呈現黑色。如果材料對可見光完全反射，則呈現白色。如果材料對可見光不吸收也不反射，則呈現透明無色，。一般有顏色之物體又可分透明（transparent）與不透明（opaque）兩類，讀者請自行思考其差異。

若將一轉盤如分披薩劃成7份（圖一a），分別塗上紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏料。請問將該牛頓盤轉動時，吾人看到何種混合色？若將以上七種顏料混在一起塗在白紙上，請問此時吾人將看到何種混合色？答案為前者為白色而後者為黑色。請讀者再想一想，同樣七種顏料，為何會有黑白兩種結果？圖一b為三種色光（紅、綠、藍）發出後可混合成白光。圖一c所示為分別印有青、黃、桃三色之實心圓的投影片，若將其疊加在一起則會有圖一d之結果（中央黑）。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖一：三原色（紅、綠、藍）光混合成白光與三色（青、黃、桃）濾光片串聯吸光後遮蔽白光呈黑色。
（圖片來源：http://physics.usc.edu/demolab/o_color.html）

從古到今，人類作畫或化妝所用的顏料或染料，其來源不外乎兩類，一類為礦物，如氧化物中因所含之金屬離子具有顏色而呈色。另一類為植物，如花草含有葉綠素、花青素與胡蘿蔔素而呈色。大家愛穿之牛仔褲最早也是從槐藍屬植物中提取靛藍（indigo）作為染料來上色。在上篇文章中，我們看到金屬奈米粒子因尺寸太小使晶體反射面受到破壞，從而對光線有了與塊材不同之交互作用而呈現不同之顏色。在本篇文章中，我們先說明了光滑表面對光線的吸收、反射與混合。現在要題到若是在材料表面或裡面作出週期性之微、奈米結構，則會對光線造成選擇性吸收與反射的效果。這樣的材料稱為2D或3D光子晶體（photonic crystal）。

現在請讀者想一想，在圖二中，蝴蝶翅膀美麗的金屬藍色，是怎麼來的呢？是反射藍光還是發出藍光呢？是植物色素、礦物色素還是蛋白質？為何蝴蝶翅膀會分為有色彩與暗淡之區域呢？有時以不同角度觀察同一位置，還會看見不同的色澤，此現象稱為虹彩（iridescence）。圖二a為蝴蝶翅膀上金屬藍區之鱗片（scale），像瓦片般緊密堆砌。圖二b為單一鱗片之放大，顯示出次微米（< 1 μm）之網格，且較長的田壟（ridge）其結構像是一列倒下的骨牌。至於暗棕區之鱗片（圖二c），其堆疊與圖二b者不甚相同，且放大後不見緻密之網格（圖二d），從而造成藍、紫色之可見光無法被反射。此種由於光子晶體造成部分光線反射與干射所呈現的顏色，稱為結構性顏色（structural color）。下回將再舉其他案例。

 

圖二：蝴蝶翅膀美麗顏色之憑藉：鱗片上規則排列之奈米網格，其功用類似光子晶體。
（圖片來源：http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2006.01.012）