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用光绘画,华人科学家用纳米结构微观复现《戴珍珠耳环的少女》

现在许多旗舰手机的背部面板都开端用上了流光溢彩的色彩,这种共同的规划美学,已成为当时数码圈的一种时髦潮流,也是许多品牌独家的产品差异化地点。

但你知道吗?这种流光溢彩的色彩,其完结已不能单靠化学颜料和油漆油墨所能完结,它们都开端运用上一项新技能:结构色,关于结构色越来越精密的调控,能够让咱们玩转光和色彩。

9 月中旬,光学威望期刊 Optica 杂志在线宣布了一篇十分风趣的论文:其研讨主题,是一种全新的“用光绘画技能”。

来自南京大学的徐挺教授和陆延青教授带领其课题组,联合美国国家标准与技能研讨院的研讨人员,协作完结一项运用自然光结构色来绘画的试验,他们超高精度地复现了十七世纪荷兰艺术家扬·维米尔的传世画作《戴珍珠耳环的少女》。

图|光影绘画的概念图

以光代笔

阳光包括几种色彩?关于这个问题,稍有物理知识的人一般都知道:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

1666 年,科学大师牛顿在家度假期间,做了一项闻名的光谱分析试验,他发现自然光透过三棱镜折射,可出现出包括七种色彩的艳丽色散现象,这为后来的光谱学研讨奠定了理论基础。

1801 年,英国学者托马斯·杨研讨了人眼视觉对色彩的感知,他指出在可见光谱的方位摆放上,只需挑选三种基本性,按不同的份额叠加组合,就简直可发生任何一种色彩;而随后德国学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹在 1856 年至 1867 年期间,持续对视觉色彩进行了深入分析,确立了光的三原色理论。

直到现在,咱们日子中简直一切的五颜六色显现屏,都是根据红、绿、蓝三原色组合,来出现出不同的画面。

已然可见光中原本就有色彩,而三原色组合又能够发生各种色彩,那你有没有想过,用自然光直接绘画,成果将会怎么?

在这项试验中,当自然光透过一个承载微纳结构的载玻片,《戴珍珠耳环的少女》被完美投射出来。

更让人惊叹的是:榜首,这幅“画”的实践标准只要一毫米左右,需求经过显微镜才干观察到细节;第二,“绘画”没用任何颜料,仅靠微纳结构资料对光的折射转化,就为整幅画准确涂上了应有的色彩;第三,初次完结了对光色明暗过渡的控制,让整幅画看上去愈加赋有立体感。

这项由科学家完结的“艺术”活儿,不只让微纳光学研讨更进一步,将来还会带来一些风趣的运用空间。

来自大自然的创意

徐挺现在是南京大学的教授、博士生导师,他于 2011 年取得了中国科学院光学工程博士学位,导师为罗先刚院士。结业后进入 NIST 担任博士后助理研讨员,并于 2014 年升任研讨员,2015 年全职加盟南京大学现代工程与运用科学学院。多年来,他一向专心在人工微结构纳米超资料在成像和检测方面的运用研讨,方向包括人工超资料、纳米光子学、外表等离子体电化学资料器材以及微纳米加工技能,在Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters 等威望期刊宣布过60余篇高水准论文。

徐挺介绍,传统意义上的绘画,必定需求各种颜料,但绝大多数颜料关于环境的友好度、稳定性是比较差的,假如没有特别维护,一幅画挂一段时间就会褪色,特别是在高温或强光影响下,褪色特别快,而化学颜料对人体健康也有危害。

但是在大自然中,有许多十分艳丽的色彩,实践上并不是色素形成的,而是光的幻象。例如,在南美洲有一种蝴蝶叫蓝闪蝶,翅展约 15 厘米,在阳光照耀下能出现出十分艳丽的蓝色金属光泽。科学家曾对大蓝闪蝶的翅膀进行微观研讨,发现其翅面掩盖的鳞片,在微观结构上十分精妙,由多层立体光栅构成,当光线照耀到翅上时,这些结构对光有折射、反射和绕射等多重作用,终究把蓝色、或偏紫色凸显出来。

这意味着,科学家们也可运用微结构原理,来精准控制光的反射、干与或许衍射等,然后发生各种不同的色彩,业界将这种技能称为结构色,是近年来学术圈比较热的研讨方向之一。

结构色比较于传统颜料,其最大的优点是构成物质单一。不管要展示什么样的色彩,差别只在于资料结构自身的规划调整,它的物理跟化学稳定性比较高,不管强光照耀仍是惯例的温差改动,都不会对它发生的色彩形成任何影响,一起,它也不会对环境或人体形成化学损害。

在这项试验中,用结构光绘画《戴珍珠耳环的少女》旨在探究技能的鸿沟,其本质便是要根据微纳结构,对可见光光谱进行一次精准调控,研讨人员抱着这样的意图开端了“绘画”研讨。

与此前业界的相关研讨比较,本研讨的最大亮点在于,不光能够发生各类色彩,还能发生明暗强度的改动。发生指定结构色许多科研团队都能做到,但那种情况下,假如用来绘画实践上只能是色块的组合,整幅画里只要色彩区别,没有暗影改动,缺少活力感和立体感,假如要复现一张油画的画面,用结构色是很难完结的,这便是此项技能研讨的门槛地点。

图|生成全色纳米绘画的电子显微镜图画

控制光线的纳米柱

试验进程的难度跟应战首要体现在两方面:榜首是理论结构规划。一般来看,结构光色彩透过率越高越好,运用率越高越好,但在实践运用场景中,则需求考虑到画面层次分明的细节,需求对某一个特定的色彩强度有精准的调控办法;第二是加工结构阵列,许多纳米柱的标准十分小,一般只要几十到几百个纳米。

徐挺弥补说:“从原理看,咱们现在用结构光做一幅大的图画彻底没问题,但做大反而不能出现出咱们的优势,咱们现在能在毫米乃至亚毫米标准,把这幅画作的细节彻底展示出来,没有任何细节丢掉,这才是咱们的优势。”

榜首步便是挑选资料制造基底和纳米柱。徐挺介绍,基底载玻片挑选的资料是二氧化硅,该资料对整个可见光频段的透光率都十分高,而纳米柱选用的资料则是二氧化钛,该资料对可见光没有太多吸收且折射率比较高,利于对光场的调控。

这幅画的微结构包括许多杂乱的光学原理规划,简略归纳,便是把二氧化钛纳米柱加工成不同的椭圆形状和摆放,让它们因为共振效应挑选性输出赤色、绿色和蓝色三原色,类似于显现屏中的像素。

然后经过改动这些椭圆形纳米柱的转角,让它们关于入射的偏振光起到偏振方向旋转的作用,这不会影响它们的出射光强度,却能把三原色投射在指定区域组合成指定的色彩。终究,研讨人员在载玻片的反面放置了一个特别的偏光滤镜,来调理光线输出的强度。如此,不光能完结各种色彩,并且每一个色彩的明暗都能得到控制。

在微结构加工进程中,研讨人员选用原子层堆积技能和电子束光刻技能来完结。即首要在载玻片上堆积一层仅数百纳米厚的超薄聚合物,然后运用电子束光刻,在聚合物中开挖了数百万个标准和方向不同的小孔,运用原子层堆积技能,用二氧化钛回填这些孔洞,终究,团队清除去孔周围的一切聚合物,留下了数百万个纳米级的二氧化钛柱,这些纳米柱对光线的转化明晰地仿制了《戴珍珠耳环的女孩》,乃至捕获了画布上的纹路细节。

图|徐挺带领的微纳光学研讨团队

用光绘画有什么用?

因为规划制造进程的精密度和杂乱度,徐挺表明,完结这项试验投入的制造本钱相对来说仍是比较高的,但假如想投入大规模工业运用,把榜首个模板规划雕琢好之后,能够经过仿制的办法,比方纳米压印的办法,来仿制这些图形结构,以下降生产本钱。

想必许多人读到这儿都比较猎奇,费了这么大劲整一幅画到底有什么用途?

徐挺表明,首要这是一种特别的加密信息存储办法,能够经过控制光的不同波长输出和投射转化,把图画或文字存储到一个玻璃片上,因为每一个像素都是纳米级的,保存的信息会十分丰富。

其次,试验需求经过特别偏光滤镜调理才干展示出一张明晰美丽的画,假如把这个滤镜拿掉,那出现出来的图画是彻底不一样的,且因为这个微纳结构的原始规划和制造适当杂乱,很难去仿制,在必定程度上,该技能能够用来做高价值物品的防伪,给某些物品编码图画和文字,这个“防伪”标识只要经过一些特别手法,才干看到它实在的样貌。

而最广泛的运用,可能是协助工业提高对结构色更为精密化的控制才能。结构色的物理稳定性和化学稳定性都比传统化学颜料高,风吹日晒永不褪色,能够用来做一些装修类运用。

实践上,当时干流的消费电子产品现已用到了相关技能,许多旗舰手机的背板开端选用那种流光溢彩的色彩,原理便是选用了一些微结构调光的技能,以此来出现艳丽的色彩;而假如能做到纳米级,那么对光的调控维度就更大,能完结更细致和共同的作用,进一步提高产品的差异化和美感。

徐挺的下一个方案,是让用光绘画由静变化。干流的显现技能基本上都是动态的,但微纳结构自身受限于固定的资料结构,怎么完结动态仍在进一步研讨傍边。

他想象,将来经过一些辅佐设备对光的视点和强度调理,有望完结在同一个结构上,稍加调整就能展示出另一副油画,图画能够动态切换曩昔,而不像现在这样只能固定投射出一幅画。

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