神奇!不用任何色素也能表达出五彩缤纷的色彩

更新时间:2019-08-23

  ●它是一种无需色素的色彩表达方式 ●它具有饱和度高、永不褪色、颜色可控等神奇特性 ●它在军事伪装、军事隐身等方面具有广阔应用前景

  不用墨水和颜料,也能描绘出一幅色彩丰富、形象逼真的图画来!这是天方夜谭,还是神笔马良再世?

  都不是。它是一种称为“结构色”的色彩呈现技术。其神奇之处,就在于不用任何色素,即可表达出五彩缤纷的色彩来,而且亮度更高、层次感更强、色彩更丰富。

  结构色与普通颜色有何不同,其中隐藏着怎样的科学奥秘?现在,就让我们来揭开它神秘的面纱。

  大千世界,五彩缤纷。人类自诞生以来,就对色彩充满了喜爱。早在公元前4万多年,祖先们就开始用加热黄土、研磨有色矿石或植物等原始方法,制成五颜六色的颜料绘制壁画。但在此后几万年的发展历程中,人们对颜色并没有清晰而深刻的认识。

  17世纪中叶的某一天,一束阳光透过窗户照进了物理学家牛顿的实验室,当这束光透射进牛顿手里拿着的小小三棱镜时,一个重要发现产生了——自然界的斑斓色彩其实是人眼对不同波长光的响应,原来色彩是与光联系在一起的。显微镜诞生后,牛顿和胡克两位物理学家通过它观察到孔雀羽毛颜色与光的关系,发现在孔雀美丽的羽毛中,除了拥有类似传统颜料中的色素外,更有大量可反射光的分支,而反射的颜色又与这些分支的排列和厚度密切相关。19世纪末,英国动物学家弗兰克首次完整地解释了自然界中不同动物的成色奥秘:动物的颜色要么是皮肤中存在明确的色素,要么是由光线的散射、衍射或不均匀折射引起的光学效应——前者被称为色素色,后者被称为结构色。

  色素色是单一物质对光的吸收或反射后直观呈现出的颜色,而结构色则是一种大量有序结构对不同波长的光散射、衍射或干涉后产生的各种颜色。它像色素色一样,原本就存在于大自然中,只不过由于隐藏得比较深而发现得比较晚。也是在19世纪末,法国物理学家加布里埃尔·李普曼运用结构色原理,发明了彩色照相干涉法,即无需染料就可在黑白照片上高度还原物体原始颜色,其“利用干涉现象的天然彩色摄影技术”,于1908年获得诺贝尔物理学奖。

  在一个多世纪的历史长河中,随着人们对光的深刻认识以及现代微纳尺度加工技术的成熟,这一被科学家称为颠覆性的色彩呈现技术的“结构色”,开始展现出它神奇而迷人的科学光芒。

  科学在于发现。结构色的发现让人们了解到,自然界缤纷的色彩,既有通过色素对光的吸收或反射而获得的色素色,还有一种通过对光的散射、衍射和干涉等共同作用而获得的结构色。

  相比于传统颜料,结构色是一种无需色素的色彩表达方式,它基于物理光学原理,将材料在微纳尺度上加工成周期性结构。由于微纳结构的谐振特性,其谐振波长受结构的尺寸大小以及周期等影响,在白光的照射下可在材料表面散射出特定颜色的光。近日,日本一家研究机构通过改变绘图“纸面”(一种可人工合成的聚合物)结构,不用墨水和颜料就能描绘出一张高清图画,其图案分辨率是传统喷墨打印分辨率的3倍。

  与传统色素色相比,结构色独特的成色原理,使它具有与众不同的神奇特性,主要体现在以下3个方面:

  色彩鲜艳,饱和度高。结构色具有很强的波长选择性,因此可通过控制材料表面结构实现对特定色彩的显示。传统绘图或屏幕显示一般基于三原色混合方案,即通过适当的搭配,构造出其他各种颜色,但这种成色方式实质上是一类“假彩色”。因为在成色表面,并没有真正散射出所视色彩对应波长的光。结构色却与之不同,它可以根据需要,散射出任意高纯度色彩,实现真正的“全彩色”,从而使呈现效果更加鲜艳饱满。

  清洁环保,永不褪色。结构色的生产基于对原材料在微观尺度上的加工,常见的制造技术包括:电子束光刻法、磁控溅射射频法、真空纳米蒸镀法、溶液涂布法及物理沉积法等。这些加工方法,完全摈弃了利用染缸或涂料的传统上色方式,并且通过改良原材料的性质,可使结构色更加持久地应对强光辐射、酸碱腐蚀等恶劣环境。因此,利用结构色加工的表面,不仅可长时间保持原有光泽,且其生产过程更能极大降低化学漆料对环境与人体的危害。

  颜色可控,偏振可调。不同于化学染料“上色即定型”的特点,结构色利用材料表面微小结构对光束的影响,可实现不同颜色的呈现。因为,结构色中的微小单元可通过外力形变、机电控制等手段,让材料表面所散射的光波得以灵活调控。特别是成周期排列的微小结构单元,还可实现对光场的偏振调控,类似于让散射的光子“手拉手”,一起朝规定的方向振动,形成材料独有的“光学指纹”。结构色的这一神奇特性,将为光学防伪、三维成像等技术开辟新的途径。

  作为一种颠覆性的色彩呈现技术,结构色所具有的独特性,使其在印刷、显示、喷涂、防伪等领域必将迎来广阔的应用前景,在国防和军事领域,它的应用更是潜力巨大。

  利用独特成色原理,推动隐身、伪装等军事技术变革。结构色是一种可以对光波(即电磁波)精细控制的色彩表达方式,可通过对电磁波频率(波长)、振幅、偏振、自旋和轨道角动量等性质的调控,使它在隐身、伪装、三维成像、头盔式显示、人工智能、虚拟增强和虚拟现实、光信息处理等方面展现出重要军事价值。国外一家研究机构通过改变染料中纳米颗粒间距,让其只吸收或散射特定颜色的光,在雷达甚至红外侦测时能达到隐身的效果。这一被称为“光子染料”的新型技术,若广泛应用于军事装备喷涂,将带来军事隐身、伪装等技术变革,从而极大提高军事装备的自身防护能力和军事行动的隐蔽性。

  通过对结构的精细设计,研制战场可穿戴智能装备。结构色通常属于多层微孔结构,通过精细设计,这种特殊结构可让液体或气体流入,并让其实现内部循环,从而使贴身装备在不同温度、湿度条件下,仍具有优良的保温和透气性能。同时,可在军服、伪装材料表面引入周期性疏水或疏油颗粒,制造出兼具伪装能力和防水防油能力的功能性服饰。目前,一种称为“纳米生色”的技术已得到成功运用,其产品具有独特的渐变色、角度色、双面色、金属色等色彩,同时具有防水、抗菌、防晒、抗氧化、耐酸碱和导电屏蔽功能。此外,还可将这一特性运用在医用可穿戴检测设备制造领域,实现对战场人员生理状态的实时监控等。

  运用高亮度、高饱和度和偏振可控特点,研发全息彩印防伪技术,提高证件防伪性能,保护身份信息安全。据报道,新加坡一个研究团队利用结构色原理,通过在材料表面设计不同高度的纳米杆,实现了在白光下的彩色图像显示。与传统油墨印刷相比,这种全息彩印防伪技术,不仅具备超高印刷分辨率、永不褪色等优点,更令人惊叹的是,当这种印刷材料在激光的照射下,可在远处的屏幕上投射出3幅设定好的图像。该技术在身份信息保护、涉密证件防伪等军事安全领域,有着广阔的应用前景。

  专家小传:杨俊波,国防科技大学文理学院教授、研究生导师,中国宇航学会光电技术专业委员会常务委员,中国微米纳米技术学会会员。主持国家和军队重点科研项目20余项,发表论文120余篇,研究成果入选中国光学重要成果。香港正版挂牌



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