2021年11月09日 10:10
【科學快訊】
說起彩虹色的巧克力，你心裏想：那又有什麼好稀奇的。現在有了色素和其他添加劑，想做什麼樣的巧克力不簡單？
說起彩虹巧克力，你腦子裏出現的是彩虹形狀的巧克力（上）還是彩色的巧克力（下）？| Pixabay
不過科學家想的真沒這麼簡單。有一天，食品科學家、材料科學家和物理學家在走廊上相遇了，他們在休息時間談論起了日常生活中司空見慣的巧克力，於是他們想：有沒有可能在不用任何色素和添加劑的情況下，讓巧克力本身變成彩色？
眾所周知，巧克力是由可可豆的產物：可可脂和可可粉制成。除了沒加可可粉的白巧克力之外，一般的巧克力本身是棕色。所以，想改變可可粉本身的顏色是一件不可能的事情，因此只能從巧克力的表面下功夫。
在進行了多種嘗試之後，科學家們成功地在沒有添加任何色素的情況下，在巧克力表面制造出了這種五彩斑斕的閃光。這款看似有魔法的「彩虹巧克力」，在不同角度的光照下都會變幻出不同的彩色光線。
同一塊巧克力在不同角度下的效果，真·五彩斑斕的黑。| ETH Zurich/Giulia Marthaler
彩虹色巧克力可以隨著角度的變化而變化 | ETH Zurich/Giulia Marthaler
雖然這款巧克力看起來像是魔法世界中才有的產物，但是它原理卻沒有那麼難。只需要巧克力調溫後將其倒入特制的3D模型中就制作完成了。「任何人都可以在家做這件事情。」一位成功做出彩虹色巧克力的制作者說。因為這種神奇巧克力背後的原理就是光的衍射。
巧克力表面的彩虹色並不是色素和染料形成的，也沒有任何塗層或者其他特別的成分，它是由巧克力表面本身形成的。這種彩色能夠隨著光線和角度的變化而變化，叫做結構色（structural color），是通過光的散射、幹涉和衍射形成。這種不斷變幻的色彩出現在肥皂泡，貝殼、很多昆蟲翅膀的表面，都是物體本身的微結構對光的作用形成的虹彩效果。
肥皂泡發出的這種彩色光不同於色素和染料的彩色，叫做結構色。| Wiki
不過，由於光的衍射對於物質本身的反射性有要求，想要使巧克力表面發出彩色的光，就必須先請材料學家出馬，讓巧克力表面變得非常光滑和穩定。這就涉及到巧克力的調溫。
構成巧克力的可可脂是一種特殊的脂肪，在不同的溫度下，它會有不同的晶體形態。比如在17℃、23℃、34℃等等都有不一樣形態的晶體，而巧克力的調溫，就是通過調節溫度，讓可可脂形成一種完美的可可晶體。我們經常看到有人在大理石板上翻切巧克力，實際上就是在調溫。
在調溫的過程中，可可脂中的不穩定的晶體會全部分解，然後重組形成完美的晶體。當不斷地攪動，完美的巧克力晶體會相互連接在一起，形成一個緊密的網絡。這樣完美狀態下的巧克力，硬度和穩定性都是最佳的，而且還具有光澤的外殼。
沒有調溫的巧克力，看起來不穩定也不均勻，更沒有絲滑的口感。
當衍射的條件形成後，研究小組開始考慮在巧克力表面做一些文章，他們准備了一種帶有鋸齒狀的，幾微米寬的凹槽模具，將巧克力倒在裏面定型，這就相當於在巧克力表面刻上了衍射光柵。
光的衍射是光波遇到障礙物時偏離了直線傳播的路徑，而發生了彎曲和散射。以單縫衍射為例，當光波通過一個大縫隙的時候，就相當於通過了無數個小的狹縫，每個狹縫中的光源就像往水中投入的石子一樣，會泛起圈圈波紋。這些波紋相互疊加，就發生了光的彎曲和散射。
惠更斯原理示意圖。波遇到障礙物時會發生衍射。這些光波會像水波一樣互相疊加，這就發生了光的彎曲和散射。| Wiki
在反射時，光的衍射現象也是同理，也能夠發生光波的疊加。當白光照射到反射面上時，白光被分散成不同色光，就呈現出了彩虹的效果。我們生活中最常見的例子就是光盤。看似光滑的光盤表面上，其實包含著螺旋型分布的細密軌道，光盤信息就記錄在軌道中。這形成了圓形反射光柵，使得白光被分解，就變成了我們肉眼看到的彩虹色。
光盤表面的細密軌道，形成了反射光柵。| Youtube@Applied Science
彩虹巧克力的表面也應該是雕刻上了鋸齒狀的條紋軌道，就形成了和光盤相似的彩色效果。
另外，衍射效果和光的波長相關，在巧克力表面想要發生明顯的衍射現象，就需要鋸齒的間距和光的波長相近。可見光的波長範圍一般是0.36-0.4微米~0.76-0.83微米。研究者們正是將巧克力的鋸齒狀凹槽模具寬度選取在幾微米，讓反射光發生明顯衍射現象，也就有了神奇的「彩虹巧克力」。
說起刻平行凹槽，我腦子裏↑ ；
結構光這種看似神奇的現象其實並不罕見，卻常常被我們忽視。比如蝴蝶翅膀上的鱗片，當我們把它放在顯微鏡下時，會發現翅膀鱗片有許多半透明的薄膜，薄膜之間充滿了空氣，這種結構讓光發揮魔力，形成隨角度不斷變化的絢麗色彩。
變色龍、藍閃蝶和昆蟲皮膚上都有一些微結構，能夠散射特定的光，顯示出絢麗的色彩 | web.archive.org
總之，只要能夠在巧克力表面成功刻上均勻、平行，並且間隔接近可見光波長的圖案，那彩虹色巧克力就做成功了，的確每個人都可以試一試，這可能是世界上最好吃的衍射光柵。
蘇黎世理工大學的企業已經做出了彩虹色巧克力的模具，把巧克力倒進模具，就能出現彩虹色巧克力的效果啦！（想玩） | morphotonix.com
巧克力：我變色了，也變強了。
