Nature封面：色即是空，空即是色！

御风行

2019-03-26

第一作者：Amy E. Goodling, SaraNagelberg

通讯作者：Lauren D. Zarzar

通讯单位：宾夕法尼亚州立大学

研究亮点：

1. 从无色液滴中看见颜色，并能控制颜色范围，甚至形成像素图像。

2. 发现了一种基于微尺度曲面的全内反射和光干涉产生彩虹结构色的全新机制。

爱美之心，人皆有之。色彩，则是美的主要来源之一。正所谓灯红酒绿，五光十色，几个世纪以来，在人类追逐色彩的历史长河中，大自然赋予了不少灵感。

颜色的来源

艺术作品和服装中的颜色最早来源于天然的颜料和染料，它们能够选择性地吸收某些波长的可见光。蝴蝶翅膀和珍珠母中丰富的色彩则得益于色素的积累和微观结构光散射的集合。在蝴蝶翅膀和珍珠母中，微观结构的尺寸与可见光的波长大致相同，当微米级或纳米级结构化表面与可见光发生干涉时即会形成颜色，这种效应称为结构着色。

色彩：从无到有

2019年2月，宾夕法尼亚州立大学Lauren D. Zarzar教授领导的科研团队及其合作者发现了一种在无色的液滴中产生彩虹结构色的全新机制，并实现了通过无色液滴来控制颜色，甚至形成像素级图像。

无色液滴产生的彩虹结构色

Goodling等人观察到，当一束白光照射到无色的小液滴并发生反射时，不对称的微米级液滴显示出明显的着色。液滴本身是无色的，因此，颜色必须来自光与液滴结构的相互作用。

当作者在显微镜下观察液滴时，他们发现液滴边缘特异性地出现有色光，从而在边缘周围形成圆形晕圈。此外，液滴根据视角改变颜色，表现出彩虹色：从粉红色到黄色，从绿色到蓝色，到根本没有颜色。当视角固定时，从液滴反射的光的颜色强烈依赖于液滴的尺寸和形态。不同尺寸的液滴悬浮液表现出闪烁的白色，而相似尺寸的液滴悬浮液则表现出均匀的颜色。

色彩从哪里来

为了深入探究这种结构色效果背后的物理机制，Goodling等人进行了一系列实验和模拟研究。与白光折射穿过玻璃时获得的彩虹色不同，从无色液滴观察到的颜色范围对视角具有依赖性，因此不能通过材料色散的机制（材料的折射率随波长变化）来解释。

作者认为，这种结构色是基于光干涉所产生：由边缘进入液滴的光线沿着液滴的曲面进行全内反射，通过改变液滴界面的长度和曲率，研究人员能够控制所产生的颜色范围。光线沿液滴的内表面通过，并从液滴的相对边缘射出，由于出射光线之间的干涉而产生明显颜色。而光线通过液滴时所采用的特定路径也对所表现出的颜色有所影响，这就解释了为什么颜色对液滴尺寸，形态和视角具有高度依赖性。

除此之外，Goodling等人通过将液滴排成2D阵列，创建出了像素化图像。他们通过调整液滴形状、大小或液体成分来操纵每个像素的颜色。此外，他们还证明固体颗粒和聚合物微结构也可以表现出这种效果。

未来可期

观察到由于微小液滴的光散射而产生的颜色，并非Lauren D.Zarzar团队首创。大气的光学效应所产生的彩虹、彩霞等等现象，其明亮的色彩就来源于阳光与亚毫米级水滴之间错综复杂的相互作用。彩霞与作者观察到的着色效果就颇有相似之处，它们是由云中的水滴散射的太阳光线的干扰造成，并且可以通过一套完善的麦克斯韦方程解决方案来解释，称为米氏理论。然而，米氏理论仅描述了球形颗粒的散射，而 Goodling等人的实验涉及非球形颗粒，因此米氏理论无法直接解释。因此，这种液滴着色是否与大气光学效应具有相同的物理起源，很值得进一步考究。

看到这里，很多人就会问了。这个东西有什么用？不好意思，还真的有用。这项技术极有可能运用到显示器和传感器领域，但是路途确实艰难。因为，使用这种方法产生的颜色仅在某些视角的反射光下可见，并且需要从固定方向照射，这可能限制其应用范围，但也正是其独特之处。

参考文献：

1. Amy E. Goodling, Sara Nagelberg, LaurenD. Zarzar et al. Colouration by total internal reflection and interference atmicroscale concave interfaces. Nature 2019, 566, 523–527.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0946-4

2. Kenneth Chau. Colour from colourlessdroplets. Nature 2 019, 566, 458-459.

https://www.nature.com/articles/d41586-019-00638-4