【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。

圖片來源:Devon O'Rourke Photography |Getty Images

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。

圖片來源:David Malan |Getty Images

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。
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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


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