设计师做不到的，科学家来实现

我想要五彩斑斓的玄色。

这条来自甲方爸爸的需求，是近两年设计圈流传的一个梗。

此前，美国单车品牌 SPECIALIZED（闪电）的设计师在为世界冠军设计专属自行车时，就按客户需求把代表世界冠军的彩虹元素用在主体为玄色的车身上。

在阳光下，车身玄色喷漆之下的亮片经由阳光反射，也算是到达了所谓「五彩斑斓的黑」的效果。

不外，一组来自伯明翰大学物理与天文学院、慕尼黑大学物理学系、伦敦帝国理工学院物理系、南京大学现代工程与应用科学学院、固体微结构物理国家重点实验室、微结构科学与技术协同创新中心以及南京邮电大学电子光学工程学院、微电子学院的研究团队克日设计了一个由无序的等离子体纳米团簇组成的光学系统，可在玄色中提取出种种颜色，力证玄色真的可以是五彩斑斓的。

当地时间 2020 年 3 月 24 日，该团队题为 Manipulating disordered plasmonic systems by external cavity with transition from broadband absorption to reconfigurable reflection（从宽带吸收到可重构反射的外腔利用无序等离子体系统）的论文在线揭晓于《自然通讯》（Nature Communications）。

自然界普遍存在的无序生物结构

这一研究的灵感源于自然界中普遍存在的、具有宽带光响应和对扰动的鲁棒性的无序生物结构（disordered biostructures）。

雷锋网相识到，物体外貌的纳米尺度结构对光举行反射，便发生了种种颜色。

不外，如果物体外貌在纳米尺度的结构处于无序状态，光要么被完全吸收，要么被完全反射，也就出现出玄色或白色。

在自然界中，一种叫做白金龟的甲虫拥有白色的鳞片，英国物理学家曾受白金龟的启发，研制出了一种新型超白纸张。接纳相似的思路，还可能制造出像纸一样白的超稀涂料，或可用于革新书写用纸、人类牙齿的颜色，甚至提高发光体和显示器的亮度。

【白金龟，图源百度百科】

此外，外貌出现黑白条纹的鱿鱼、玄色羽毛的极乐鸟，这些让世界变得更多元、奇妙的现象，其实都是无序结构的影响。

实际上，随着纳米光子学和纳米制造技术的生长，无序纳米结构因其奇特特性——很是规的强度统计、宽带传输增强、理想聚焦、宽带光阱和宽带能量收集——被应用于差别的光学系统中，旨在举行光定位、光子（雷锋网注：通报电磁相互作用的基本粒子）传输和能量收集等。不外，具有宽带光响应的无序系统的可调性却鲜有研究。

由等离子体纳米团簇组成的无序光学系统

基于此，研究团队实现了对无序等离子系统的操控，通过对外腔耦合简直定性控制，实现了从宽带吸收到可调谐反射的转变。

下图是无序等离子系统的三维全波模拟示意图。

详细来讲，研究团队从广义模型出发，设计了由无序的等离子体纳米团簇组成的光学系统，或作为宽带吸收体，或在可见光区具有可重新设置的反射带。

如下图所示，纳米团簇主要是由巨细纷歧的银（Ag）纳米粒子无序排列而成，位于一层由氟化锂（LiF）制成的介电质料之上，氟化锂下置一层银镜（Ag mirror）。

这一结构中有个最重要的部门，即被称为 LiF spacer 的透明腔体。由氟化锂之间的清闲形成的透明腔体不会耗散光，光子在其中以差别的频率共振，凭据差别波长释放出种种颜色。

雷锋网相识到，研究人员将腔体的厚度设定为沿着对角线线性增加，从而使得该系统的光响应从大于 90% 的可见光宽带吸收，酿成凭据差别波上进行的差别反射（反射波长在 400nm 至 750nm 之间）。

通俗来讲就是，科研人员通过改变腔体厚度，改变了光响应模式，进而实现了文章开头所说的「五彩斑斓的黑」。

下图是纳米团簇结构出现出的图像，经由玄色过渡后，沿着对角线从玄色开始出现出多种色彩。

对齐白石画作举行色彩重现

那么，这种听着很玄乎的系统，有实用性吗？

实际上，研究团队为验证该系统的可行性，印刷了齐白石的水彩画《牡丹》（下图左为数码复制品），可以看出，其作品中主要包罗几种很常见的颜色，如红色、粉红色、黄色、绿色及玄色。研究人员表现，只需简朴地调整透明腔体的厚度，就能以极高的色彩精度重现原作（下图右）。

可见，这一结果的意义不仅体现在进一步明白物理意义上的无序，也为种种实际应用（例如结构颜色图案化）提供了新思路，正如研究团队表现：

在物理学上，我们习惯于认为纳米加工中的无序欠好，但在这里我们证明晰，在某些特定情景中，无序结构可以优于有序结构。我们设计的无序系统还可用于其他物理领域，好比新型传感技术。

引用泉源：

[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