本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687)，作者：小雨，头图来源：IC photo
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687)，作者：小雨