神奇!不用任何色素,也能表達出五彩繽紛的色彩來

來源:解放軍報作者:王握文 毛元昊 胡益鳴責任編輯:張思遠
2019-08-16 08:45

國防科技大學文理學院教授楊俊波為您講述——

結構色:無需色素的神奇呈現

■本報記者 王握文 通訊員 毛元昊 胡益鳴

●它是一種無需色素的色彩表達方式 ●它具有飽和度高、永不褪色、顏色可控等神奇特性 ●它在軍事偽裝、軍事隱身等方面具有廣闊應用前景

鳥類翅膀上的結構色。

不用墨水和顏料,也能描繪出一幅色彩豐富、形象逼真的圖畫來!這是天方夜譚,還是神筆馬良再世?

都不是。它是一種稱為“結構色”的色彩呈現技術。其神奇之處,就在于不用任何色素,即可表達出五彩繽紛的色彩來,而且亮度更高、層次感更強、色彩更豐富。

結構色與普通顏色有何不同,其中隱藏著怎樣的科學奧秘?現在,就讓我們來揭開它神秘的面紗。

藏于自然 源于發現

大千世界,五彩繽紛。人類自誕生以來,就對色彩充滿了喜愛。早在公元前4萬多年,祖先們就開始用加熱黃土、研磨有色礦石或植物等原始方法,制成五顏六色的顏料繪制壁畫。但在此后幾萬年的發展歷程中,人們對顏色并沒有清晰而深刻的認識。

17世紀中葉的某一天,一束陽光透過窗戶照進了物理學家牛頓的實驗室,當這束光透射進牛頓手里拿著的小小三棱鏡時,一個重要發現產生了——自然界的斑斕色彩其實是人眼對不同波長光的響應,原來色彩是與光聯系在一起的。顯微鏡誕生后,牛頓和胡克兩位物理學家通過它觀察到孔雀羽毛顏色與光的關系,發現在孔雀美麗的羽毛中,除了擁有類似傳統顏料中的色素外,更有大量可反射光的分支,而反射的顏色又與這些分支的排列和厚度密切相關。19世紀末,英國動物學家弗蘭克首次完整地解釋了自然界中不同動物的成色奧秘:動物的顏色要么是皮膚中存在明確的色素,要么是由光線的散射、衍射或不均勻折射引起的光學效應——前者被稱為色素色,后者被稱為結構色。

色素色是單一物質對光的吸收或反射后直觀呈現出的顏色,而結構色則是一種大量有序結構對不同波長的光散射、衍射或干涉后產生的各種顏色。它像色素色一樣,原本就存在于大自然中,只不過由于隱藏得比較深而發現得比較晚。也是在19世紀末,法國物理學家加布里埃爾·李普曼運用結構色原理,發明了彩色照相干涉法,即無需染料就可在黑白照片上高度還原物體原始顏色,其“利用干涉現象的天然彩色攝影技術”,于1908年獲得諾貝爾物理學獎。

在一個多世紀的歷史長河中,隨著人們對光的深刻認識以及現代微納尺度加工技術的成熟,這一被科學家稱為顛覆性的色彩呈現技術的“結構色”,開始展現出它神奇而迷人的科學光芒。

神奇特性 顛覆傳統

科學在于發現。結構色的發現讓人們了解到,自然界繽紛的色彩,既有通過色素對光的吸收或反射而獲得的色素色,還有一種通過對光的散射、衍射和干涉等共同作用而獲得的結構色。

相比于傳統顏料,結構色是一種無需色素的色彩表達方式,它基于物理光學原理,將材料在微納尺度上加工成周期性結構。由于微納結構的諧振特性,其諧振波長受結構的尺寸大小以及周期等影響,在白光的照射下可在材料表面散射出特定顏色的光。近日,日本一家研究機構通過改變繪圖“紙面”(一種可人工合成的聚合物)結構,不用墨水和顏料就能描繪出一張高清圖畫,其圖案分辨率是傳統噴墨打印分辨率的3倍。

與傳統色素色相比,結構色獨特的成色原理,使它具有與眾不同的神奇特性,主要體現在以下3個方面:

色彩鮮艷,飽和度高。結構色具有很強的波長選擇性,因此可通過控制材料表面結構實現對特定色彩的顯示。傳統繪圖或屏幕顯示一般基于三原色混合方案,即通過適當的搭配,構造出其他各種顏色,但這種成色方式實質上是一類“假彩色”。因為在成色表面,并沒有真正散射出所視色彩對應波長的光。結構色卻與之不同,它可以根據需要,散射出任意高純度色彩,實現真正的“全彩色”,從而使呈現效果更加鮮艷飽滿。

清潔環保,永不褪色。結構色的生產基于對原材料在微觀尺度上的加工,常見的制造技術包括:電子束光刻法、磁控濺射射頻法、真空納米蒸鍍法、溶液涂布法及物理沉積法等。這些加工方法,完全擯棄了利用染缸或涂料的傳統上色方式,并且通過改良原材料的性質,可使結構色更加持久地應對強光輻射、酸堿腐蝕等惡劣環境。因此,利用結構色加工的表面,不僅可長時間保持原有光澤,且其生產過程更能極大降低化學漆料對環境與人體的危害。

顏色可控,偏振可調。不同于化學染料“上色即定型”的特點,結構色利用材料表面微小結構對光束的影響,可實現不同顏色的呈現。因為,結構色中的微小單元可通過外力形變、機電控制等手段,讓材料表面所散射的光波得以靈活調控。特別是成周期排列的微小結構單元,還可實現對光場的偏振調控,類似于讓散射的光子“手拉手”,一起朝規定的方向振動,形成材料獨有的“光學指紋”。結構色的這一神奇特性,將為光學防偽、三維成像等技術開辟新的途徑。

軍事應用 潛力巨大

作為一種顛覆性的色彩呈現技術,結構色所具有的獨特性,使其在印刷、顯示、噴涂、防偽等領域必將迎來廣闊的應用前景,在國防和軍事領域,它的應用更是潛力巨大。

利用獨特成色原理,推動隱身、偽裝等軍事技術變革。結構色是一種可以對光波(即電磁波)精細控制的色彩表達方式,可通過對電磁波頻率(波長)、振幅、偏振、自旋和軌道角動量等性質的調控,使它在隱身、偽裝、三維成像、頭盔式顯示、人工智能、虛擬增強和虛擬現實、光信息處理等方面展現出重要軍事價值。國外一家研究機構通過改變染料中納米顆粒間距,讓其只吸收或散射特定顏色的光,在雷達甚至紅外偵測時能達到隱身的效果。這一被稱為“光子染料”的新型技術,若廣泛應用于軍事裝備噴涂,將帶來軍事隱身、偽裝等技術變革,從而極大提高軍事裝備的自身防護能力和軍事行動的隱蔽性。

通過對結構的精細設計,研制戰場可穿戴智能裝備。結構色通常屬于多層微孔結構,通過精細設計,這種特殊結構可讓液體或氣體流入,并讓其實現內部循環,從而使貼身裝備在不同溫度、濕度條件下,仍具有優良的保溫和透氣性能。同時,可在軍服、偽裝材料表面引入周期性疏水或疏油顆粒,制造出兼具偽裝能力和防水防油能力的功能性服飾。目前,一種稱為“納米生色”的技術已得到成功運用,其產品具有獨特的漸變色、角度色、雙面色、金屬色等色彩,同時具有防水、抗菌、防曬、抗氧化、耐酸堿和導電屏蔽功能。此外,還可將這一特性運用在醫用可穿戴檢測設備制造領域,實現對戰場人員生理狀態的實時監控等。

運用高亮度、高飽和度和偏振可控特點,研發全息彩印防偽技術,提高證件防偽性能,保護身份信息安全。據報道,新加坡一個研究團隊利用結構色原理,通過在材料表面設計不同高度的納米桿,實現了在白光下的彩色圖像顯示。與傳統油墨印刷相比,這種全息彩印防偽技術,不僅具備超高印刷分辨率、永不褪色等優點,更令人驚嘆的是,當這種印刷材料在激光的照射下,可在遠處的屏幕上投射出3幅設定好的圖像。該技術在身份信息保護、涉密證件防偽等軍事安全領域,有著廣闊的應用前景。

專家小傳:楊俊波,國防科技大學文理學院教授、研究生導師,中國宇航學會光電技術專業委員會常務委員,中國微米納米技術學會會員。主持國家和軍隊重點科研項目20余項,發表論文120余篇,研究成果入選中國光學重要成果。

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