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| 本文作者： 付靜 | 2020-04-02 18:23 |
我想要五彩斑斕的黑色。
這條來(lái)自甲方爸爸的需求，是近兩年設(shè)計(jì)圈流傳的一個(gè)梗。
此前，美國(guó)單車品牌 SPECIALIZED（閃電）的設(shè)計(jì)師在為世界冠軍設(shè)計(jì)專屬自行車時(shí)，就按客戶需求把代表世界冠軍的彩虹元素用在主體為黑色的車身上。
在陽(yáng)光下，車身黑色噴漆之下的亮片經(jīng)過(guò)陽(yáng)光反射，也算是達(dá)到了所謂「五彩斑斕的黑」的效果。
不過(guò)，一組來(lái)自伯明翰大學(xué)物理與天文學(xué)院、慕尼黑大學(xué)物理學(xué)系、倫敦帝國(guó)理工學(xué)院物理系、南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心以及南京郵電大學(xué)電子光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)近日設(shè)計(jì)了一個(gè)由無(wú)序的等離子體納米團(tuán)簇構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，可在黑色中提取出各種顏色，力證黑色真的可以是五彩斑斕的。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2020 年 3 月 24 日，該團(tuán)隊(duì)題為 Manipulating disordered plasmonic systems by external cavity with transition from broadband absorption to reconfigurable reflection（從寬帶吸收到可重構(gòu)反射的外腔操縱無(wú)序等離子體系統(tǒng)）的論文在線發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）。
這一研究的靈感源于自然界中普遍存在的、具有寬帶光響應(yīng)和對(duì)擾動(dòng)的魯棒性的無(wú)序生物結(jié)構(gòu)（disordered biostructures）。
雷鋒網(wǎng)了解到，物體表面的納米尺度結(jié)構(gòu)對(duì)光進(jìn)行反射，便產(chǎn)生了各種顏色。
不過(guò)，如果物體表面在納米尺度的結(jié)構(gòu)處于無(wú)序狀態(tài)，光要么被完全吸收，要么被完全反射，也就呈現(xiàn)出黑色或白色。
在自然界中，一種叫做白金龜?shù)募紫x(chóng)擁有白色的鱗片，英國(guó)物理學(xué)家曾受白金龜?shù)膯l(fā)，研制出了一種新型超白紙張。采用相似的思路，還可能制造出像紙一樣白的超稀涂料，或可用于改進(jìn)書(shū)寫用紙、人類牙齒的顏色，甚至提高發(fā)光體和顯示器的亮度。
【白金龜，圖源百度百科】
此外，表面呈現(xiàn)黑白條紋的魷魚(yú)、黑色羽毛的極樂(lè)鳥(niǎo)，這些讓世界變得更多元、奇妙的現(xiàn)象，其實(shí)都是無(wú)序結(jié)構(gòu)的影響。
實(shí)際上，隨著納米光子學(xué)和納米制造技術(shù)的發(fā)展，無(wú)序納米結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特特性——非常規(guī)的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)、寬帶傳輸增強(qiáng)、理想聚焦、寬帶光阱和寬帶能量收集——被應(yīng)用于不同的光學(xué)系統(tǒng)中，旨在進(jìn)行光定位、光子（雷鋒網(wǎng)注：傳遞電磁相互作用的基本粒子）傳輸和能量收集等。不過(guò)，具有寬帶光響應(yīng)的無(wú)序系統(tǒng)的可調(diào)性卻鮮有研究。
基于此，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)序等離子系統(tǒng)的操控，通過(guò)對(duì)外腔耦合的確定性控制，實(shí)現(xiàn)了從寬帶吸收到可調(diào)諧反射的轉(zhuǎn)變。
下圖是無(wú)序等離子系統(tǒng)的三維全波模擬示意圖。
具體來(lái)講，研究團(tuán)隊(duì)從廣義模型出發(fā)，設(shè)計(jì)了由無(wú)序的等離子體納米團(tuán)簇組成的光學(xué)系統(tǒng)，或作為寬帶吸收體，或在可見(jiàn)光區(qū)具有可重新配置的反射帶。
如下圖所示，納米團(tuán)簇主要是由大小不一的銀（Ag）納米粒子無(wú)序排列而成，位于一層由氟化鋰（LiF）制成的介電材料之上，氟化鋰下置一層銀鏡（Ag mirror）。
這一結(jié)構(gòu)中有個(gè)最重要的部分，即被稱為 LiF spacer 的透明腔體。由氟化鋰之間的空隙形成的透明腔體不會(huì)耗散光，光子在其中以不同的頻率共振，根據(jù)不同波長(zhǎng)釋放出各種顏色。
雷鋒網(wǎng)了解到，研究人員將腔體的厚度設(shè)定為沿著對(duì)角線線性增加，從而使得該系統(tǒng)的光響應(yīng)從大于 90% 的可見(jiàn)光寬帶吸收，變成根據(jù)不同波長(zhǎng)進(jìn)行的不同反射（反射波長(zhǎng)在 400nm 至 750nm 之間）。
通俗來(lái)講就是，科研人員通過(guò)改變腔體厚度，改變了光響應(yīng)模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了文章開(kāi)頭所說(shuō)的「五彩斑斕的黑」。
下圖是納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出的圖像，經(jīng)過(guò)黑色過(guò)渡后，沿著對(duì)角線從黑色開(kāi)始呈現(xiàn)出多種色彩。
那么，這種聽(tīng)著很玄乎的系統(tǒng)，有實(shí)用性嗎？
實(shí)際上，研究團(tuán)隊(duì)為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，印刷了齊白石的水彩畫(huà)《牡丹》（下圖左為數(shù)碼復(fù)制品），可以看出，其作品中主要包含幾種很常見(jiàn)的顏色，如紅色、粉紅色、黃色、綠色及黑色。研究人員表示，只需簡(jiǎn)單地調(diào)整透明腔體的厚度，就能以極高的色彩精度重現(xiàn)原作（下圖右）。
可見(jiàn)，這一成果的意義不僅體現(xiàn)在進(jìn)一步理解物理意義上的無(wú)序，也為各種實(shí)際應(yīng)用（例如結(jié)構(gòu)顏色圖案化）提供了新思路，正如研究團(tuán)隊(duì)表示：
在物理學(xué)上，我們習(xí)慣于認(rèn)為納米加工中的無(wú)序不好，但在這里我們證明了，在某些特定情景中，無(wú)序結(jié)構(gòu)可以優(yōu)于有序結(jié)構(gòu)。我們?cè)O(shè)計(jì)的無(wú)序系統(tǒng)還可用于其他物理領(lǐng)域，比如新型傳感技術(shù)。
引用來(lái)源：
[1] https://www.nature.com/articles/s41467-020-15349-y
[2] https://m.phys.org/news/2020-03-scientists-black.html
[3] https://www.ifanr.com/app/861079
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