「蝴蝶、蝴蝶生得真美麗，頭戴著金冠、身穿花花衣…」，前文說到蝴蝶翅膀美麗顏色之憑藉乃在其鱗片上規則排列之奈米網格，其結構與功用相當當於光子晶體（photonic crystal）。不僅蝴蝶如此，吾人小時候愛抓的金龜子也是如此。有興趣的讀者也請去查一下，是否瓢蟲的翅膀也是如此呢？光子晶體基本上有兩大用處。如圖一a所示，它可以過濾光線，阻擋某些入射光（此處為黃、綠光），使其反射、干涉而顯出如昆蟲翅膀的虹彩。由於隸屬某些能量帶之電磁波無法通過光子晶體，我們也常稱光子晶體為具有某光子能帶間隙（photonic band gap）之光絕緣體（optical insulators）。圖一b則顯示它可以使入射光沿其中由缺陷形成之路徑以直角轉彎且幾無能量損耗。此優點使光子晶體可以與光纖合併製作更佳之光纜。


(a)


(b)

（圖片來源：（a）http://people.umass.edu/dinsmore；（b）http://www.phoenixbv.com）

除了昆蟲以外，鳥類的翅膀也有類似光子晶體的結構，使其具斑斕之色彩。圖二a所示為喜鵲(magpie)羽毛隨視角變化之黃綠虹彩與暗色區之淡藍色反光。圖二b所示為喜鵲單支羽毛（feather）中的一根羽枝（barb）；嵌圖則為羽枝上眾多的小羽枝（barbule）。小羽支形如扁平之緞帶，在中央某處該緞帶還會扭轉90°，對羽毛的多變色彩作出貢獻。圖二c為小羽支的電子顯微鏡圖。吾人可見小羽支的橫斷面包含較脆之皮質部（cortex）與較軟之核部。在皮質部中，斷面分布著三角（trigonal）堆積之孔洞，其實它們是有如光子晶體般規則堆疊的微管（microtube）。由於微管間距之不同（180 nm：270 nm），導致羽毛之色彩為黃綠色：藍色。類似之例子為孔雀（peacock）美麗的羽毛（孔雀藍），其微管之堆積為四角（tetragonal），此乃其色彩與喜鵲不同的原因。


(a)


(b)


(c)

圖二：喜鵲羽毛隨視角變化之黃綠色與淡藍色反光，源自小羽枝皮層內如光子晶體規則堆疊之微管對光線的吸收、反射、折射、繞射與干涉。
（圖片來源：http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.73.021914）

圖三a所示為同種蝴蝶在不同海拔之翅膀鱗片結構。較高處的蝴蝶因天冷需要熱能，所以翅膀鱗片缺少奈米結構，不會反射藍、紫光，因此將日照全數吸收以供保暖。請讀者判斷一下，高海拔蝴蝶應由圖三a中之上或下所對應？圖三b所示則為模仿蝴蝶翅膀，以幾丁質為材料建構之光子晶體模型，未來可應用在沙漠或太空中之熱防護（thermal protection）等。


(a)


(b)

圖三：根據蝴蝶鱗片之微–奈米雙階級結構所設計的防熱用光子晶體材料。
（圖片來源：http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.67.021907）

最好的奈米科技已存在大自然中，也存在你我的身體裡，所以師法自然（仿生學，biomimicry），是開發環保、節能與高效率之奈米技術的重要途徑。希望藉由本篇短文，能鼓勵讀者多注意身邊被忽略的人、事、物，從而找出與萬物和諧相處、互利共生之道。