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科学解读,到底啥才是真正的“塑料蓝”?

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  这货看着,真的太像塑料了……

  要不我们一起来玩找茬游戏吧

  你能一眼看出来哪张图里的蓝色

  是 iPhone 12 吗?

  
图片来自龙二 Pro 微博

  最近各家新款手机都在陆续发布上市,毕竟现在陪伴大家时间最长的除了床,应该就是手机了,关心和吐槽也是在所难免的。比如像 iPhone 一个蓝色就能被大家喷上天。

  虽然有很多人说从各个方面试图去解释,网传的蓝色照片为啥和官网的渲染图差别那么大[1],但是这又怎么样呢?因为这个 iPhone 12,它看上去真的很塑料啊。

  1

  塑料蓝

  话不多说我们直接进入正题。

  不知道你有没有仔细观察过你生活中遇到的塑料制品,只要是蓝色的,大多都是深蓝色的,什么天之蓝海之蓝这类浅浅的蓝色都特别少见。大部分你能看到的塑料,上面真的差不多都列出来了。

  这主要是因为给那些工程塑料提供颜色的,基本都是同一种颜料[2]——酞菁兰

  

  Credit: Giphy, nomalles

  塑料制品用着色剂[3]一般都是极细微的颗粒状有色颜料,把它均匀地调和在树脂或油中,使塑料制品得到需要的色泽。因为塑料在现在应用的场景十分广泛,所以选用塑料制品着色剂也有很多注意事项,比如一般来说着色剂应当耐高温,在较高温度下仍然具有较好的热稳定性;具有较好的分散性,颜料的颗粒要足够地小,看起来才比较均匀,遮盖率才好。同时也要有较好的光稳定性,一般要求耐光级在 5 级以上。

  虽然理论上利用黄色和蓝色进行混合,可以得到我们日常生活中更喜欢的湖蓝色,不过配色其实也不是一件容易的事情,有的配出来不均匀,或者颜色不纯。而且工程上,能用就行,哪来那么多讲究呢。

  
Credit: Giphy, PhyllisMa

  现在使用的蓝色颜料还挺多的,不过不同的颜料应用场景不尽相同,除了用于塑料以外,也有应用于涂料,搪瓷,陶瓷等。比如有钴蓝,采用钴和氧化铝与磷酸结合的方法。还有像诸如普鲁士蓝(Prussian blue), ,这一类蓝色颜料着色能力强,色彩透明且寒冷,耐光级很高,也有很广泛的应用[5]。著名画作《神奈川冲浪里》[6],日本浮世绘画家葛饰北斋创作的木版画,里面的蓝色就是普鲁士蓝。他特别喜欢用普鲁士蓝来创作。

  
神奈川冲浪里

  最新发现的钇铟锰蓝[4]也是一种十分鲜艳的蓝色颜料,它也是200年以来第一种被人们发现的无机蓝色颜料,上一个钴蓝还是 1802 年发现的。

  当然,一切都打败不了今天我们的主角——「塑料蓝」。

  2

  主角诞生记

  

  酞菁分子结构图,其分子式为 ,其中蓝色小球为氮原子,黑色小球为碳原子,白色小球为氢原子

  说起酞菁铜,要从酞菁[7]的发现开始说起。

  酞菁的发现其实是一个偶然,怎么感觉科学发现里好多偶然…… 1907年两位化学家 Braun 和 Tehemiac 两人当时在研究邻氰基苯甲酰胺。在他们将这个原本无色的物质加热以后,竟然得到了微量的蓝色物质,不过当时并没有把这个事情放在心上,后来才知道那是酞菁。

  在大约 16 年以后,Diesbach 和 Weid 在实验过程中将邻苯二腈与溴化铜在一起加热,阴差阳错地却合成了一堆深蓝色物质——而这个物质就是现在「塑料蓝」的主角,酞菁铜。一般可以简写为 , 代表酞菁环。铜原子塞在上面酞菁分子的中间,替换掉两个氢原子。

  

  虽然现在调侃,「好姐妹的感情就像塑料花」,但塑料蓝这个材料真的一点都不「塑料」。它之所以引起现在社会中的广泛应用,最大的原因就是它真的太耐操了,不管你怎么折腾都很稳定,耐强酸,耐强碱,耐光耐热耐辐射,就是一块宝。如果你生物学的比较好的话,其实一眼就能看出来,酞菁铜的结构和人体血液血红蛋白中的血红素,植物光合作用必须的叶绿素十分相近,而这些相似结构的发光起源都是来自分子结构中所具有的共轭 键,这也被称为发色团[8]。

  
血红素和叶绿素

  简单来说,发色团指的就是分子中直接和颜色相关的部分,严格地讲,分子轨道发生跃迁的能量差对应一定颜色范围,而这就是发光的关键。而往环上增加不同的官能团,往环的中心插入不一样的金属原子,则是进一步导致上述几个分子颜色出现区别的原因。比如叶绿素中间是镁离子,而血红素中间是铁离子,酞菁铜则是铜离子。

  
酞菁兰

  故事说到这里,大家都觉得,是不是觉得常规套路,应该是发现酞菁铜的这么优秀的颜料的科学家,第一件事应该是注册专利,然后开公司办工厂,一夜暴富,走向人生巅峰,就像苯胺紫的发明者威廉·珀金[9]在他 18 岁时干的事情那样。

  一开始我也是这么想的,不过历史却喜欢和人开玩笑[10]。发现酞菁铜的两位科学家并没有在这基础之上继续解析结构和研究,在这之后是英国伦敦大学 Linstead 详细分析了酞菁铜的物理化学性质。而真正将这份人类智慧的结晶投入生产,则要等到 1935 年英国的 ICI (帝国化学工业) 公司和 1937 年美国杜邦公司建立成熟的合成生产线。

  3

  想要点蓝,为啥这么难

  虽然酞菁铜很好用,但也不至于天天用是吧,怎么就抱着这么一个颜料当成宝了呢?其实在因为在整个人类的历史上,「蓝色」的来源都很奢侈……

  
《圣母像》,又名《纺车边的圣母》,达芬奇

  在西方的古典油画里,蓝色的使用真的是比黄金还要贵。早期人造蓝色颜料埃及蓝的制作工艺当时已经失传,画家们的蓝色的来源大多都是群青,利用青金石制作而成。比如像达芬奇的画作里,蓝色颜料基本上都是只有用在圣母的衣服上,你看那惨白的天空[11],画家们也是没啥办法,因为真的蓝色不够用。

  不乏有些画作,比如米开朗基罗《耶稣下葬》因为委托人给不起蓝色颜料,就此烂尾[12]……

  
戴珍珠耳环的少女,维米尔

  当然,也有一些特殊的画家,在那个蓝色不易得的年代,却依旧十分偏爱蓝色。就比如维米尔画的《戴珍珠耳环的少女》,少女的头巾就是蓝色的。

  
如有雷同,纯属巧合

  维米尔的大部分画作都很小[13],而且和绝大多数画家不同,维米尔近乎奢侈地使用群青作画,几乎每张画作上都有大片的蓝色,突出一个任性,更突出一个败家。不过他妻子家境殷实,据传他曾经花光家里积蓄买了一铲子群青来霍霍[14],可能这也是他画作都很小的原因之一吧…… 再大真的用不起蓝色颜料了。

  群青颜料的制作方法为把青金石捣碎后,将其与核桃油混合研磨,形成粘稠的膏体用以作为原料。当然现代工业所需的群青颜料早已是人工合成的了。当时世界上唯一一处青金石的产地是阿富汗的东北部,开采以后运送到欧洲,真的要跨越千山万水,根本不够分。从群青的拉丁名 ultramarinus 也可以看出来,真的是「超越海洋」。

  因为青金石为人称道的蓝色源于内部晶格网状结构中的 粒子,对于矿物的含硫量有一定要求[15]。但是硫多了以后,又容易和铁形成黄铁矿伴生在青金石中,金斑点点。所以为了纯净的蓝色,开采青金石以后还要精挑细选。一直到近代,才被各种合成的颜料所取代。

  
提香,《酒神巴库斯与阿里阿德涅》. 只有壕们才能使用的蓝色画画方案. National Gallery, London.

  在东方,因为画作主要以水墨画为主,和油画使用的溶解颜料的溶剂并不相同,所以中国人都是用「石青」来作为蓝色的来源。比如北宋时期王希孟 18 岁时所做绢本设色画《千里江山图》,真把人给看傻了。相信你只要看过那山河之上的蓝色,一定就会在你心里留下深刻的印象。因为每展开展出一次,都有颜料可能因此脱落,对于用丝绸制作的《千里江山图》更是如此,所以这个画作展出的次数非常少。不过故宫博物院也制作了高清数字版[16],可以直接点击链接看完整大图,连画作上的小人都看得清。

  
千里江山图,局部,现藏于故宫博物院

  石青来自蓝铜矿,化学成分为 ,经常和孔雀石伴生,在我国古代常被称作「丹青」,「青」指的就是石青。作为矿物原料,制作石青的过程需要工匠对蓝铜矿进行仔细的研磨,为了研磨出颜色均匀的石青,需要把颗粒打磨一致[17],这真的很考验技术。根据最后成品质量,石青在中国画中也分为头青、二青等。

  4

  什么样的蓝色最好看

  虽然上面介绍了很多蓝色,不过我在最后最好还是回归一下正题。

  就像 iPhone 一样,很多人拿到新手机以后看到网上大家晒图,什么 iPhone 12 的蓝色不好看,明明是便宜的这款才不好看。

  为了给大家洗洗眼睛,在这里我也给大家推荐一款小编非常喜欢的蓝色

  这款蓝色来自一种哺乳动物

  它叫洛马米长尾猴,2007 年才被发现[18]

  
洛马米长尾猴近照

  一个大脸盘子,长得有点像猫头鹰

  安详而又普通

  不过它的屁屁,却是蓝色的。

  夺人心魄

  

  
虽然生物里面蓝色的也有很多

  但这抹妖艳的蓝色

  哪个男孩/女孩看了不爱呢?

  End

  本文转载自“中科院物理所”

  责编/心与纸

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