光明网：你要的是这个五彩斑斓的黑吗？
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 。
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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 。
○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 。
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