大闪蝶翅膀的鲜艳蓝色长期以来不仅吸引了鳞翅目昆虫学家，也吸引了化学家。后者的兴趣源于翅膀内部分层排列的复杂纳米级蛋白质结构：它们的形状像棱镜，反射出令人惊叹的蔚蓝色。材料科学家希望最终利用这些结构的特性来制造油漆和化妆品等产品——不使用可能对人类健康和环境有害的染料和颜料。
如何经济实惠地将这种“结构色”概念应用于各种产品一直是个棘手的问题。但现在，位于加州伯克利的初创公司Cypris Materials的化学家表示，他们正在接近实现这一目标的方法。他们表示，他们已经开发出无需使用染料或颜料的着色剂，这些着色剂可以在电磁波谱的紫外、可见光和近红外区域产生色调，并且可以用于从汽车油漆到打印机墨水和指甲油等各种应用。“他们在急需创新的领域取得了进展，而且看起来他们已经从实验室跃入现实世界。这非常令人印象深刻，”Zymergen公司的杰出研究员、绿色化学的先驱约翰·华纳说，他没有参与Cypris Materials的工作。
几个世纪以来，传统颜料和染料一直被用于为织物、油漆和其他日常应用添加颜色。它们通过吸收或反射光的方式来赋予各种色调。例如，一件衬衫中的红色染料包含称为发色团的分子成分，这些分子成分会吸收除红色以外所有颜色的光波——所以我们看到的是红色。但是，其中涉及的一些化学物质，例如偶氮染料，含有与癌症和其他有害影响相关的物质。许多国家已经禁止使用它们。
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然而，结构色来自微观结构，其不同的形状以不同的方式反射或折射光。例如，大闪蝶翅膀上的微小鳞片覆盖着具有横肋的微小脊——有点像冷杉树的轮廓。这些结构折射特定的光波长以产生鲜艳的蓝色。其他结构产生类似的效果：例如，螺旋排列的纤维素微纤维使弹珠浆果闪耀着有光泽的金属蓝色。科学家仍在研究结构色在自然界中显现的更精细的细节。但他们已经知道，结构中特征的大小和体积以及材料本身主要决定了光线如何从该结构中反射——以及产生什么颜色。
Cypris Materials跨越可见光谱的蛋白石结构色样品。图片来源：Ryan Pearson
Cypris Materials使用所谓的自组装嵌段共聚物来创建基于结构的着色剂。它们是长链分子，在这种情况下，它们将两种不同类型的常用塑料（例如聚丙烯酸酯或聚酯）缝合在一起。当配制成油漆或墨水并涂在表面上时，这些共聚物会自行排列成整齐有序的层状结构，从而折射光线。要理解这是如何工作的，想象一下一半黄色一半绿色的软糖虫，每种颜色代表不同的塑料。如果将一大袋这些软糖虫排列好，使每个软糖的黄色和绿色部分仅接触其他软糖的相同颜色的一半，它们将形成一个多层结构。Cypris的共聚物在放入溶液中时会自行完成此操作，聚合物链的长度决定了反射光的波长。短共聚物链折射较短的光波长：紫外线、蓝色和绿色。较长的链折射光谱中橙色、红色和近红外部分中较长的波长。
自组装共聚物并非新生事物，但该公司表示，它已取得了两项关键进展：其材料在日常环境条件下（例如在涂漆时）自组装，并且可以产生反射长波长光的更长链。“能够使其进入更红的颜色——没有人能够通过结构色做到这一点，”加州理工学院的诺贝尔奖化学教授、该公司的联合创始人兼顾问罗伯特·格拉布斯说。“他们取得的进展比我认为可能取得的进展要大得多。”
这种新型着色剂以粉末形式出现，Cypris Materials表示可以将其纳入制造过程中——例如添加到汽车喷枪中的油漆中，或混合到指甲油中。着色剂也像粘合剂一样起作用，粘合剂是在油漆干燥在表面上时添加到溶液中以保持颜料和染料的化学物质。该公司联合创始人兼代理首席执行官瑞安·皮尔逊说：“我们正在简化油漆。”传统上，“人们需要添加颜料。他们还需要添加额外的添加剂来稳定油漆。我们不仅消除了对颜料和染料的需求，还消除了稳定它的所有额外成分的需求。”
经常添加到油漆中以帮助稳定颜料的其他化学物质包括表面活性剂。新型着色剂是否会使这些化学物质变得不必要还有待观察，但“如果他们能够替代表面活性剂或在不使用烷基酚（广泛用于油漆中以防止分离的化学物质）的情况下进行配制，那肯定是我们认为的积极进展，”健康建筑网络的首席研究官特蕾莎·麦格拉思说，健康建筑网络是一个非营利组织，旨在推广使用可持续且毒性较小的材料，并且与Cypris Materials无关。
这种新方法与其他结构色应用形成对比，例如用于制造可以应用于窗户以改善隔热效果并节省能源的薄膜。该技术涉及创建和组合许多层薄膜，以实现反射红外光的结构。但是这些薄膜只能应用于某些表面，使得新型结构色技术可能更通用。
这家初创公司的着色剂仍然有待克服的障碍和可能的局限性。例如，它们可能无法在价格上与某些颜料（例如二氧化钛）竞争。该公司还需要对其共聚物和制造工艺进行全面分析，以确认其着色剂确实比传统染料和颜料更安全、更环保。“它不会是完美的，”华纳说。但是，“追求完美是卓越的敌人。科学是通过这些进步的步骤来工作的。”