(作者：袁維勵 老師 / 逢甲大學 化學工程學系)

Lycurgus cup [註1]是公元4世紀時，羅馬帝國的特有的「籠包」藝術作品（caged artwork）[註2]。所謂籠包藝術品，指的是一種雙層結構的藝術品，內層為酒杯的本體，而外層為背後鏤空之浮雕（relief）。而Lycurgus cup即為一驚世之作，因為它能呈現兩種顏色（dichroic）。當光源由杯外照耀其上時，我們所看到的杯子呈現暗綠色（意即反射光，reflected light）；當光源由杯內向外照耀時，我們會發現杯子透露出漂亮的寶石紅（ruby red）或藍紫色（purple blue）。畫面中的人物，是希臘神話、荷馬史詩的一部分，Lycurgus是一個惡王，被變成葡萄藤蔓的女人（Ambrosia）纏住，至終被杯上不同方位所雕刻的其他人物（Dionysus, Pan, and a satyr）所制伏。杯子高16.5 cm、直徑為13.2 cm。

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 （ Lycurgus杯）

當杯子呈現綠色時，我們會以為杯子是以玉（jade）做成的，因為看起來很類似我們常見的玉石或翡翠，內含鉻離子（chromium ion, Crn+）。其實，經過科學儀器分析，Lycurgus cup最主要的成分為二氧化矽（silica, silicon dioxide, SiO2），亦即透明、非結晶（amorphous）的玻璃（glass）。它與玻璃窗或裝水用的玻璃瓶一樣，看上去應該是透明的，不過現在卻成了綠色。另一方面，當杯子呈現紅色時，我們會以為杯子是以紅玉（即紅寶石，ruby）做成的（也是內含鉻離子）[註3]。但是，結果卻非如此。

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（翡翠，sapphire）

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（紅寶石）

正確答案是，Lycurgus cup的主體為氧化矽，但是含有微量的奈米金（nanogold）與奈米銀（nanosilver）。奈米金、銀或其合金（alloy）的直徑為50 – 100 nm（1 nm = 10-9 m），而金：銀的質量比約為3：7。當奈米金存在時，它主要的功用為“吸收”波長為520 nm 左右的綠色的光，而奈米銀的作用則為“散射”520 nm左右的綠光。一個吸收綠光，一個散射綠光，竟然造就了一件稀世奇珍，是不是很厲害啊？

我們可以從Nanocomposix的網站[註4]中，一個計算奈米粒子吸收（adsorption）與散射（scattering）光譜的軟體，來了解Lycurgus cup的顏色由來。當光線照射到微米/奈米粒子的表面時，會發穿透（transmission）與吸收（absorption）兩件事。而被吸收的光，也稱為消光（extinct light，extinction意即火把被熄滅或火被撲滅）。而消去的光，有一部分確實被奈米粒子「吃掉」或吸收了（absorbed light），但另一部分，卻被奈米粒子吞下去又「吐出」來，稱為散射光（scattered light）。因為散射光是朝向四面八方，所以每一顆奈米粒子就像是一個「小燈泡」或是「點光源」在照耀。走筆至此，想到有句話說：「你的一隅你當照亮。」，鼓勵大家勿以善小而不為，至少應該做到幫助我們的左右鄰舍。

根據「米氏」（Mie，音同me，意為男性的Mary）散射公式，nanoComposix公司，製作了一個軟體，幫我們計算不同金屬（例如銅）與金屬氧化物（例如二氧化鈦）之消光、吸收與散射光譜圖（extinction spectra）。別忘了，消光 = 吸收 + 散射。下圖為3 nm之奈米金的消光圖。波長範圍設定為由300 nm到800 nm，而可見光的範圍則是由380 nm變到780 nm。而medium RI指的是水（奈米粒子所處之分散相）的折射率（refractive index）。首先，我們看到奈米金在520 nm左右有一個吸收峰（見附圖中藍色曲線），此波長對應到綠光。也就是說，當一道白光（主要含紅、綠、藍三色光，red/green/blue，RGB）穿過盛有奈米金水溶液之燒杯時，100%的綠光（以吸收曲線的最大值作為100%）會被吸收掉而100%的紅光與50%的藍光則會穿透燒杯。所以這100%的紅光與50%的藍光混合在一起就是我們所看到寶石紅。因此，黃金不再金黃，卻變成紅色的了。其次，我們也可以發現，附圖中紅色曲線是一條大小為0的水平線，表示奈米金吸收綠光但是並未散射綠光或其他的光。

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（3 nm奈米金的之光圖）

現在我們明瞭了奈米金水溶液的顏色，是吸收與穿透的結果。我們將在下回貼文中進一步討論奈米銀水溶液的顏色。讀者可以先連結至nanoComposix的網頁，試著產生不同材料的消光曲線，並推測其顏色為何。

參考資料

  1. The Lycurgus Cup（http://britishmuseum.tumblr.com/post/120689869617/the-lycurgus-cup）
  2. Freestone, I., Meeks, N., Sax, M. et al. Gold Bull (2007) 40:270, pp270-7. doi:10.1007/BF03215599
  3. 余樹楨，科學發展（2009）438:6，pp58-61. （http://203.145.193.110/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/9806/9806-09.pdf）
  4. nanoComposix（http://nanocomposix.com/pages/tools）（注意，此網頁要在IE與JAVA環境下執行才有效）