从黑色中提取五彩斑斓

从黑色中提取五彩斑斓

我们在自然界中看到的许多颜色,通常源自于物体表面的纳米尺度结构以特定方式对光进行反射。例如,一只蝴蝶的翅膀之所以是蓝色的,是因为在它的翅膀表面的微小凹槽只能反射蓝色的光。

从黑色中提取五彩斑斓

○ 图片来源:JillWellington / pixabay

然而,当某个表面呈现出黑色或白色时,通常是因为这种表面在纳米尺度的结构是一种完全无序的模式,这使得所有的光要么被全部吸收,要么被全部反射。

在自然界中,这种无序的生物结构普遍存在,无序结构可以对不同波长的光进行吸收或反射,它们具有所谓的宽带光响应。正是这种宽带光响应特性,使得这些表面能表现出黑或白的颜色。

在许多生物系统中,具有宽带光响应的无序系统都扮演着重要角色,比如在白金龟的白色鳞片中、条纹睡衣鱿鱼的黑白条纹中,亦或是极乐鸟的黑色羽毛中。

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○ 从左到右:白金龟、条纹睡衣鱿鱼、极乐鸟。| 图片来源:Wikipedia

除了在自然界的生物系统中,宽带光响应在人工光学系统中也有着重要应用。然而一直以来,这些具有宽带光响应的无序系统的可调节性却鲜少被研究。

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在一项近期发表于《自然通讯》杂志的新研究中,研究人员找到了一种方法来控制光通过这些无序表面的方式,以产生丰富而鲜艳的颜色。

在这项研究中,物理学家们设计了一个由无序的等离子体纳米团簇构成的光学系统,这些纳米团簇是由有着大小随机的(Ag)粒子颗粒无序排列而成的,它们被沉积在一层由氟化锂(LiF)制成的介电材料之上,氟化锂间隔将纳米颗粒与一层银镜隔开。由氟化锂间隔形成的透明腔体,能使被困在腔体中的光不会耗散。

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○ 纳米级的银粒子颗粒在沿对角线逐渐变化厚度的透明腔体层之上。| 图片参考来源:[1]

在这个透明腔体之内,光子的行为表现得像波一样,它们以不同的频率共振,并根据波的不同波长释放出不同颜色。通过改变腔体的厚度,研究人员得以让这个光学系统的光响应从吸收90%以上的可见光的宽带吸收,变成对特定波长范围进行反射的有限反射

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○ 实验设计的光学系统所呈现出的图像,颜色从黑色开始,沿对角线像彩虹一样展开。| 图片来源:[1]

在实验中,腔体的厚度变化是沿着对角线呈线性增加的。如上图所示,在经过左下角的黑色过渡之后,沿对角线出现了彩虹般的颜色变化,让原本无序的系统得以反射波长在400纳米到750纳米之间连续变化的可见光。

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○ 莱克格斯杯。| 图片来源:Ancient Origins

其实,古代的艺术家们就已经用他们的技艺为我们呈现过类似的颜色控制。一个经典例子是4世纪的罗马莱克格斯杯,这是一件由双色玻璃制造而成的工艺品,当光从正面照射时,它呈现出绿色;当光线从背面照射时,它呈现出红色。

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○ 研究中重现的齐白石画作《牡丹》,左边为原始作品,右边为重现作品。| 图片来源:[1]

而新研究中的现代方法则能通过更精妙的控制对色彩进行精准重现。研究人员就用他们的新方法来重现齐白石的画作《牡丹》。如上图所示,左边显示的是齐白石的原本画作,画中包含几种常见颜色,如红色、粉红色、黄色和绿色,以及书写文字时所用到的黑色。右边显示的是利用新的技术,对这幅画作进行的色彩重现。可以看到,他们成功地实现了所有色彩的重现,包括对于常规周期结构来说难以生成的黑色。

与古代技艺相比,新的技术让研究人员能通过简单地调整腔体厚度,以非常高的精准度重现所有想要的颜色,包括黑色。

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论文的通讯作者是伯明翰大学物理系的张霜(Shuang Zhang)教授,他在一个采访中说:“大自然生成颜色所采用的不同方法是件很引人入胜的事。如果我们能有效地利用这些方法,就能打开一个宝库,在那个宝库中有着比我们生平所见的更为丰富、更生动的色彩。”

这项研究得益于近年来纳米光子学和纳米加工的进展,这使得无序的纳米结构可以被广泛地应用于不同的光学系统。论文的合著者Changxu Liu博士解释说,在物理学中,或许我们倾向于认为随机性在纳米加工中是不好的。但新的研究证明了,在某些特定应用中,随机的无序结构可以比有序结构带来更好的结果。这不仅对进一步理解无序的物理学具有重要意义,无序的等离子体系统还为大量的实际应用提供了一种新的机制。

参考来源:

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-020-15349-y

[2] https://phys.org/news/2020-03-scientists-black.html

封面图来源:wildredhead / pixabay

转载于:原理

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