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黑色真的是五彩斑斓的

时间: 2020年04月03日 | 作者: 小雨 | 来源: 原理
我们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。


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 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。


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银(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。


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