大自然的五彩斑斕，原來很多都是因為TA？

光子晶體和蝴蝶有什麼關係？

按照生物學家的統計，大部分蝴蝶分布在美洲等地，但這並不妨礙蝴蝶成為我們生活中常見的點綴。古有「庄生曉夢迷蝴蝶」的佳句，今有「蝴蝶翅膀本無色的」的話題作文。蝴蝶身披美麗的色彩，不小心飛入現代科學研究者的鏡頭下，一種特殊的結構引起了人們的興趣。

蝴蝶算是我見過最漂亮的昆蟲，翅膀的花樣真是不少，通過顯微設備可以觀察到蝴蝶的翅膀正是上圖這種周期性結構。圖片來源：theorie1.physik.uni-erlangen

光子晶體（Photonic Crystal）,也叫光子禁帶材料，是由不同折射率的介質周期性排列而成的人工微結構。簡單地說，光子晶體具有波長選擇的功能，可以有選擇地使某個波段的光通過而阻止其它波長的光通過其中。

用光子晶體纖維做成的顏色可調的光學織物，圖片來源：groupes.polymtl.ca

光子晶體的研究自從1887年就開始，1987年，光子晶體這個名詞才被第一次出現在由Eli Yablonovitch和Sajeev John分別發表在《Physical Review Letters》上的兩篇關於光子晶體的標誌性文章中。

花兒為什麼這樣紅？

自然界產生色彩的主要來源有兩種途徑，其一為色素，另一種則為結構色。色素色是最普遍和常見的顏色。來自於色素有選擇性地吸收某些顏色的光。

一束普通的自然光經過三稜鏡可以現出本身的面目。圖片來源：網路

圖中荷包牡丹的紅花綠葉皆為色素色。圖片來源：網路

而反射和散射其他色彩的光。結構色是由干涉、衍射和散射等光學效應所造成。簡單說來，光子晶體具有波長選擇的功能，可以有選擇地使某個波段的光通過而阻止其它波長的光通過其中。因此具有這種結構的物質及時本身無色也可以呈現不同的顏色。

自然界早就存在著光子晶體：一種產於澳洲的彩色寶石蛋白石（opal）。圖片來源：gem14

孔雀的羽毛，也是由光子晶體產生結構色的一個典型例子。圖片來源：hannahsmall

孔雀，來源：CERN Courier、Li et. al.

另外，昆蟲、蝴蝶、鳥類羽毛、海洋生物、動物皮膚，甚至植物都會呈現出明亮的結構色。

圖片來源：photonics

象鼻蟲具有類似光子晶體的結構，圖片來源：MIT Tech. Review

泰國天牛具有蛋白石微觀結構，圖片來源：photonics

多種蝴蝶的翅膀周期性微觀結構，圖片來源：RSC

海老鼠，圖片來源：The University of Sydney

「polymer opal film 」是一種被稱為高分子蛋白石膜的材質，其中有許多高分子的均勻顆粒有結構排列的固定在彈性體的內部，當受到外力拉扯時，顆粒間的距離就會改變，所以就會因為顆粒間距離的改變(光子晶體的晶格大小改變) 而反射出不同的波長的光。下圖是用上述面料(高分子蛋白石膜)做的衣服。

圖片來源：fashioningtech

功能用途

光子晶體和半導體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過設計和製造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的。

特殊光子晶體光纖，光子晶體製造的光子晶體光纖，比傳統光纖更好的傳輸特性，來源：NKT Photonics

光子晶體發光二極體，來源：Luminus Devices, EERE

光子帶隙纖維，用與精準外科手術和癌症治療，來源：OmniGuide

光子晶體微波腔，用與高能粒子加速器（來源：PSFC）

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