我們在自然界中看到的許多顏色，通常源自於物體表面的納米尺度結構以特定方式對光進行反射。例如，一隻蝴蝶的翅膀之所以是藍色的，是因為在它的翅膀表面的微小凹槽只能反射藍色的光。
○ 圖片來源：JillWellington / pixabay
然而，當某個表面呈現出黑色或白色時，通常是因為這種表面在納米尺度的結構是一種完全無序的模式，這使得所有的光要麼被全部吸收，要麼被全部反射。
在自然界中，這種無序的生物結構普遍存在，無序結構可以對不同波長的光進行吸收或反射，它們具有所謂的寬帶光響應。正是這種寬帶光響應特性，使得這些表面能表現出黑或白的顏色。
在許多生物系統中，具有寬帶光響應的無序系統都扮演著重要角色，比如在白金龜的白色鱗片中、條紋睡衣魷魚的黑白條紋中，亦或是極樂鳥的黑色羽毛中。
○ 從左到右：白金龜、條紋睡衣魷魚、極樂鳥。| 圖片來源：Wikipedia
除了在自然界的生物系統中，寬帶光響應在人工光學系統中也有著重要應用。然而一直以來，這些具有寬帶光響應的無序系統的可調節性卻鮮少被研究。
在一項近期發表於《自然通訊》雜誌的新研究中，研究人員找到了一種方法來控制光通過這些無序表面的方式，以產生豐富而鮮豔的顏色。
在這項研究中，物理學家們設計了一個由無序的等離子體納米團簇構成的光學系統，這些納米團簇是由有著大小隨機的銀（Ag）粒子顆粒無序排列而成的，它們被沉積在一層由氟化鋰（LiF）製成的介電材料之上，氟化鋰間隔將納米顆粒與一層銀鏡隔開。由氟化鋰間隔形成的透明腔體，能使被困在腔體中的光不會耗散。
○ 納米級的銀粒子顆粒在沿對角線逐漸變化厚度的透明腔體層之上。| 圖片參考來源：[1]
在這個透明腔體之內，光子的行為表現得像波一樣，它們以不同的頻率共振，並根據波的不同波長釋放出不同顏色。通過改變腔體的厚度，研究人員得以讓這個光學系統的光響應從吸收90%以上的可見光的寬帶吸收，變成對特定波長範圍進行反射的有限反射。
○ 實驗設計的光學系統所呈現出的圖像，顏色從黑色開始，沿對角線像彩虹一樣展開。| 圖片來源：[1]
在實驗中，腔體的厚度變化是沿著對角線呈線性增加的。如上圖所示，在經過左下角的黑色過渡之後，沿對角線出現了彩虹般的顏色變化，讓原本無序的系統得以反射波長在400納米到750納米之間連續變化的可見光。
○ 萊克格斯杯。| 圖片來源：Ancient Origins
其實，古代的藝術家們就已經用他們的技藝為我們呈現過類似的顏色控制。一個經典例子是4世紀的羅馬萊克格斯杯，這是一件由雙色玻璃製造而成的工藝品，當光從正面照射時，它呈現出綠色；當光線從背面照射時，它呈現出紅色。
○ 研究中重現的齊白石畫作《牡丹》，左邊為原始作品，右邊為重現作品。| 圖片來源：[1]
而新研究中的現代方法則能通過更精妙的控制對色彩進行精準重現。研究人員就用他們的新方法來重現齊白石的畫作《牡丹》。如上圖所示，左邊顯示的是齊白石的原本畫作，畫中包含幾種常見顏色，如紅色、粉紅色、黃色和綠色，以及書寫文字時所用到的黑色。右邊顯示的是利用新的技術，對這幅畫作進行的色彩重現。可以看到，他們成功地實現了所有色彩的重現，包括對於常規週期結構來說難以生成的黑色。
與古代技藝相比，新的技術讓研究人員能通過簡單地調整腔體厚度，以非常高的精準度重現所有想要的顏色，包括黑色。
論文的通訊作者是伯明翰大學物理系的張霜（Shuang Zhang）教授，他在一個採訪中說：“大自然生成顏色所採用的不同方法是件很引人入勝的事。如果我們能有效地利用這些方法，就能打開一個寶庫，在那個寶庫中有著比我們生平所見的更為豐富、更生動的色彩。”
這項研究得益於近年來納米光子學和納米加工的進展，這使得無序的納米結構可以被廣泛地應用於不同的光學系統。論文的合著者Changxu Liu博士解釋說，在物理學中，或許我們傾向於認為隨機性在納米加工中是不好的。但新的研究證明了，在某些特定應用中，隨機的無序結構可以比有序結構帶來更好的結果。這不僅對進一步理解無序的物理學具有重要意義，無序的等離子體系統還為大量的實際應用提供了一種新的機制。
[1] https://www.nature.com/articles/s41467-020-15349-y
[2] https://phys.org/news/2020-03-scientists-black.html
封面圖來源：wildredhead / pixabay
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