【化學大未來】彩色世界-從傳統染藝到時尚光電科技
■從傳統染藝到時尚光電科技，人類把色彩運用到極致，無可否認合成染料在其中的貢獻，然而，時有合成染料的禍害被報導，讓人不禁有回歸自然的想法。不過，不管天然還是人工，都是人類智慧的結晶，我們應該從中找到兩者的平衡點。
撰文│張思遠
色彩的來源
在漆黑的夜裡，伸手不見五指，這個時候，我們最需要的是甚麼?是打火機?還是手電筒?準確來講，是光。我們所說的「光」，通常是指肉眼能夠辨析的「可見光」，可見光主要來自天然的太陽光以及人造的日光燈，牛頓就曾經利用三稜鏡把穿過的太陽光，折射出紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種可見光，物體本身會對於這七種顏色的光存在著「偏好」，入射光線會被物體選擇性吸收，沒有被吸收的，成為肉眼所覺知的色彩，對光沒有偏好的物體，如果是把大部分的光反射出去，就會呈現白色，如果是被大部分的光穿透過去，就會無色透明，而無差別偏好的物體，會把大量的光吸收進去，因此呈現黑色。也就是說，我們所看到的，其實是物體所「厭惡」的。
三稜鏡實驗的逆向操作，可以把七種顏色的光，複合成為白光，但七種顏色的顏料，混合後會得到黑色顏料，出現截然相反的結果，因為兩者運作機制各異。顏料本身並不是光源，只是依靠反射可見光，讓人的肉眼感知到顏色，顏料由於各有所好，因此有不同的顏色，而各有所好的疊加，就是無差別偏好，所以呈現黑色。染料的製作就是運用了相同的原理，可能連製作者自己也不知道。
天然與人工-無機和有機
人類最早的染料分別來自植物、動物以及礦物，都是從大自然直接取得，但並非自然界一切有顏色的物質，都能夠成為染料，有著一身紅色羽毛的火烈鳥，羽毛一經拔下，就仿如火焰熄滅一般，瞬間轉為白色，所以常言道：「摘不到的，往往是最美的。」油畫之所以能夠歷經數百年時間的洗禮，至今仍然不失其風韻，就是顏料性質穩定的緣故，大自然無疑是色彩斑斕，但能夠「據為己有」的並不多。不能使物質牢固著色，也就沒有「染」可言，天然染料普遍存在吸附力不足的問題，導致加工漂染程序的繁複，由於是取材自植物、動物和礦物的關係，天然染料難免會夾帶著原料本身的「特質」，例如草菁味、腥味、重金屬味等等，而且，天然染料的製作往往需要耗用大量原料。
古羅馬時代，居住在地中海地區的腓利基人，從骨螺身上提煉出紫色染料──泰爾紫，這可能是歷史上最昂貴的染料，因為光是漂染一件衣服所使用的染料，就需要大約12,000枚骨螺。由於產量極為稀缺，基本上只有王侯貴族能夠享有，故又稱為「帝王紫」，漂染著紫色的服飾也因此成為權力與地位的象徵。直到十九世紀中葉，威廉柏金在一次化學實驗的過程中，意外地合成紫色染料，與天然提取的泰爾紫相較之下，品質純正而且附著力佳，更重要的是，參與反應的原料來源廣泛同時加工過程簡易，從此，紫色染料能夠以更低的成本大量生產，普及應用到平常百姓家。就這樣，一個無心之「得」，燃起了人工合成有機染料的火焰，此後，人類對於有機染料的開發，就有如雨後春筍般迅速冒起。
人工合成並不是始於有機染料，其實早在古埃及時期就有利用礦物合成無機顏料的例子，人類使用無機顏料的歷史，甚至可以追溯至石器時代。在這段漫長的歲月裡，不管是有機染料還是無機顏料，在開發以及加工製作上都是偏向物理層面的操作，直到近代，化學技術漸趨成熟，帶動整個染料科學的高速發展。與無機顏料相較之下，有機染料的色彩更加多樣化，色澤亦更為鮮艷奪目，「小黃」的黃，統一採用有機塗料Yellow 83，除了是法律強制規定外，背後也是有科學上的依據。磷光塗料多為無機顏料，無處不在但又容易被忽略，最大的特點就是「夜明」，傳說中的夜明珠，可能就是由磷光物質所構成，磷光塗料常用於電子儀表、樓梯、指示牌等，而在光電領域，發光二極體透過通電方式，激發不同材質的無機螢光粉放射出不同顏色的光，在廣告面板、交通訊號燈以及檳榔攤等都能夠找到LED的踪跡。我們所稱的「合成染料」，實際上是僅指人工合成有機染料而言。
合成染料的應用
牛仔褲在發明之初，其主要的銷售對象為淘金工人，為了迎合顧客的需求，在染料的選擇上，採用具有防蟲功效的藍草作為提煉的原料，靛藍也因此成為了牛仔褲的代表色，而自合成靛藍染料面世後，取代了藍草成為牛仔褲漂染的主流，時至今日，牛仔褲有更多的顏色可供選擇，但最經典的，依然是靛藍色。過去英軍制服所使用的紅色染料，是由茜草根所萃取的茜素製作而成，自從合成茜素推出市面後，茜草培植事業便日漸息微。還有更多合成染料替代天然染料的例子，現在市場所銷售的成衣服飾，顏色多樣而且價廉物美，就是使用合成染料的結果，換個角度想，如果單靠種植藍草茜草，染料的生產速度是遠遠跟不上人口膨脹的步伐。
合成染料最初只是用於紡織品的漂染著色，隨著時代的演進，技術的進步，應用的領域亦更加廣泛。
紅色蘋果汁，紫色葡萄汁，看似理所當然，但這些都是添加食用染料的結果。食用染料又名食用色素，顧名思義就是用於食物著色的染料，與工業染料不同，食用色素必須經主管機關審批，符合食用等級才能添加到食物之中。所謂色香味俱全，食物的色彩是食物品質的重要指標，添加了食用色素的食品，顏色鮮艷有助於增進食慾，令人垂涎三尺的熱狗，從香腸、麵包到蕃茄醬，都添加了食用色素。
紅藻富含蝦紅素，而蝦蟹、鮭魚、以及紅鸛等動物，都不能自行合成蝦紅素，乃依靠食物鏈層層傳遞，這些動物身上漂亮的紅色，就是攝取蝦紅素的結果，因此人工合成蝦紅素被廣泛應用於水產養殖業。動物是否喜歡紅色也許難以探求，但可以確定的是，蝦紅素是動物的重要養分來源。人工可以合成出「蝦紅」色，但無法完全複製蝦紅素，故此，合成蝦紅素無法充當保健食品。合成食用色素曾經一度取代天然食用色素的市場地位，但隨著相關的研究逐漸完善，合成食用色素的弊病不斷被披露，現存仍被認可的合成食用色素，縱然未有證據證實其危害健康，但已知其對人體健康沒有任何正面作用。從色彩的角度來衡量，合成色素是非常成功，但在食用的考量上，還是以天然色素為宜。
棉織品如果呈現純白色，很有可能是添加了螢光增白劑，因為一般來說，棉花「偏好」藍光，肉眼會感知其「厭惡」的黃光，所以無染毛巾會呈現微黃色。螢光增白劑是一種合成染料，在紫外光照射下會發出藍光，補充被物體所吸收的藍光，從而改善偏黃的狀態。白色往往給人潔淨醒目的觀感，衣物洗滌劑的亮白功效，印刷紙的黑白分明，紡織品的淨白無瑕，都是螢光增白劑的效果。
螢光增白劑只是螢光物質的一種，聽演唱會必備的螢光棒，就是透過有機螢光染料達到發光效果，螢光物質還應用在光電領域。早期的大頭電視產生影像，是透過映像管的電子束撞擊螢光幕來達成，與之相似的電漿電視，乃利用氣體放電後所產生的紫外光，激發螢光物質而呈現影像。
液晶屏幕則是利用背光光源，透過彩色濾光片的處理而出現影像畫面，與染料呈現色彩的原理相類似，過程中沒有任何的「撞擊」與「激發」，因此LCD的成像過程毋須螢光粉的參與。相較於LED和LCD，有機發光二極體使用有機螢光染料，具有自發光性、耗電量低、視角廣闊、結構簡單、輕薄纖巧等優點，深受廠商歡迎，為繼LCD之後，顯示器發展的新趨勢。
天然的尚好?
從傳統染藝到時尚光電科技，人類把色彩運用到極致，無可否認合成染料在其中的貢獻，然而，時有合成染料的禍害被報導，讓人不禁有回歸自然的想法。
這個議題實在不宜妄下定論，天然染料經過了上百甚至上千年的試煉，直到今天而為我們所熟知，合成染料的發明，至今不過百餘年的時間，還相當「年輕」，應該給予足夠的觀察時間，合成染料的禍害，很多時候是使用方式不恰當所致，不斷從經驗中汲取教訓，人類都是這樣一路走來。不管天然還是人工，都是人類智慧的結晶，我們應該從中找到兩者的平衡點。
--
本文整理自：100/11/26下午由陳錦地研究員在臺大應力所國際演講廳所主講之「第六期探索講座《化學大未來》最終講─彩色世界-從傳統染藝到時尚光電科技」的演講內容
延伸閱讀：台大科學教育發展中心探索基礎科學講座2011年11月26日第八講〈彩色世界-從傳統染藝到時尚光電科技〉全程影音
﹝本文作者畢業於台大財金系，現為台大科法所研究生。﹞
責任編輯：Nita Hsu
