國防科普加油站（11）結(jié)構(gòu)色：一種無需色素的色彩表達方式

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？

不，都不是。它是一種稱為“結(jié)構(gòu)色”的色彩呈現(xiàn)技術(shù)。它的神奇之處，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(jié)構(gòu)色與普通顏色有何不同，其中隱藏著怎樣的科學(xué)奧秘？現(xiàn)在，就讓我們來揭開它的神秘面紗吧。

藏于自然 源于發(fā)現(xiàn)

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(fā)展歷程中，人們對顏色并沒有清晰而深刻的認識。

17世紀(jì)中葉的某一天，一束陽光透過窗戶照進了物理學(xué)家牛頓的實驗室，當(dāng)這束光透射進牛頓手里拿著的小小三棱鏡時，一個重要發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了——自然界的斑斕色彩其實是人眼對不同波長（顏色）光的響應(yīng)，原來色彩是與光聯(lián)系在一起的。顯微鏡誕生后，牛頓和胡克兩位物理學(xué)家通過它觀察到孔雀羽毛顏色與光的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在孔雀美麗的羽毛中，除了擁有類似傳統(tǒng)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(guān)。19世紀(jì)末，英國動物學(xué)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(xué)效應(yīng)——前者被稱為色素色，后者被稱為結(jié)構(gòu)色。

色素色是單一物質(zhì)對光的吸收或反射后直觀呈現(xiàn)出的顏色，而結(jié)構(gòu)色則是一種大量有序結(jié)構(gòu)對不同波長的光散射、衍射或干涉后產(chǎn)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(fā)現(xiàn)得比較晚，但這并不影響它綻放科學(xué)的光芒，也是在19世紀(jì)末，法國物理學(xué)家加布里埃爾·李普曼運用結(jié)構(gòu)色原理，發(fā)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(xiàn)象的天然彩色攝影技術(shù)”，于1908年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

在近一個世紀(jì)的歷史長河中，隨著人們對光的深刻認識以及現(xiàn)代微納尺度加工技術(shù)的成熟，這一被科學(xué)家稱為顛覆性的色彩呈現(xiàn)技術(shù)的“結(jié)構(gòu)色”，開始展現(xiàn)出它神奇而迷人的科學(xué)光芒。

神奇特性 顛覆傳統(tǒng)

俗話說，科學(xué)在于發(fā)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)色的發(fā)現(xiàn)讓人們了解到，自然界五彩繽紛的色彩，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(jié)構(gòu)色。

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

與傳統(tǒng)色素色相比，結(jié)構(gòu)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(xiàn)在以下方面：

色彩鮮艷、飽和度高。結(jié)構(gòu)色具有很強的波長選擇性，因此可以通過控制材料表面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對特定色彩的顯示。傳統(tǒng)繪圖或屏幕顯示一般基于三原色混合方案，即通過適當(dāng)?shù)拇钆?，?gòu)造出其它各種顏色，但這種成色方式實質(zhì)上是一類“假彩色”，因為成色表面并沒有真正的散射出所視色彩所對應(yīng)波長的光。結(jié)構(gòu)色卻與之不同，它可以根據(jù)需要，散射出任意高純度色彩，實現(xiàn)真正的“全彩色”，從而使呈現(xiàn)效果更加鮮艷飽滿。

清潔環(huán)保，永不褪色。結(jié)構(gòu)色的生產(chǎn)基于對原材料在微觀尺度上的加工，常見的制造技術(shù)包括：電子束光刻法、[1] 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(tǒng)上色方式，并且通過改良原材料的性質(zhì)，可以使結(jié)構(gòu)色更加持久的應(yīng)對強光輻射、酸堿腐蝕等惡劣環(huán)境。因此利用結(jié)構(gòu)色加工的表面不僅可以長時間保持原有光澤，其生產(chǎn)過程更是能極大降低化學(xué)漆料對環(huán)境與人體的危害。

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

軍事應(yīng)用 潛力無限

作為一種顛覆性的色彩呈現(xiàn)技術(shù)，結(jié)構(gòu)色所具有的獨有特性，使其在印刷、顯示、噴涂、防偽等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在國防和軍事領(lǐng)域，它的應(yīng)用更是潛力無限。

利用獨特成色原理，推動隱身、偽裝等軍事技術(shù)變革。結(jié)構(gòu)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(zhì)的調(diào)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(xiàn)實、光信息處理等方面展現(xiàn)出重要軍事價值。國外一家研究機構(gòu)通過改變?nèi)玖现屑{米顆粒間距，讓其只吸收或散射特定顏色的光，有效實現(xiàn)雷達甚至紅外隱身的效果。這一被稱為“光子染料”的新型技術(shù)，若廣泛應(yīng)用于軍事裝備噴涂，將帶來軍事隱身、偽裝等技術(shù)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(jié)構(gòu)的精細設(shè)計，研制戰(zhàn)場可穿戴智能裝備。結(jié)構(gòu)色通常屬于多層微孔結(jié)構(gòu)，通過精細設(shè)計，這種特殊結(jié)構(gòu)可以讓液體或氣體流入，并讓其實現(xiàn)內(nèi)部循環(huán)，從而使貼身裝備在不同溫度、濕度條件下仍具有優(yōu)良的保溫和透氣性能；同時，可以在軍服、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(shù)已得到成功運用，其產(chǎn)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(dǎo)電屏蔽功能。此外，還可將這一特性運用在醫(yī)用可穿戴檢測設(shè)備制造領(lǐng)域，實現(xiàn)對戰(zhàn)場人員生理狀態(tài)的實時監(jiān)控等。

運用高亮度、高飽和度和偏振可控特點，研發(fā)全息彩印防偽技術(shù)，提高證件防偽性能，保護身份信息安全。據(jù)報道，新加坡一個研究團隊利用結(jié)構(gòu)色原理，通過在材料表面設(shè)計不同高度的納米桿，實現(xiàn)了在白光下的彩色圖像顯示。與傳統(tǒng)油墨印刷相比，這種全息彩印防偽技術(shù)，不僅具備超高印刷分辨率、永不褪色等優(yōu)點，更令人驚嘆的是，當(dāng)這種印刷材料在激光的照射下，可以在遠處的屏幕上投射出三幅設(shè)定好的圖像。該技術(shù)在身份信息保護、涉密證件防偽等軍事安全領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

用結(jié)構(gòu)色繪制的日本名畫《巨浪》

蝴蝶翅膀上呈現(xiàn)的亮麗的藍色源于翅膀表面微結(jié)構(gòu)

鳥類翅膀上的結(jié)構(gòu)色

一塊由結(jié)構(gòu)色涂敷的切塊表面

孔雀羽毛的成色原理

孔雀羽毛內(nèi)部的細微結(jié)構(gòu)

基于結(jié)構(gòu)色原理的全息彩印防偽技術(shù)

專家小傳：楊俊波，國防科技大學(xué)文理學(xué)院教授、研究生導(dǎo)師，中國宇航學(xué)會光電技術(shù)專業(yè)委員會常務(wù)委員，中國微米納米技術(shù)學(xué)會會員。主持國家863、國家自然科學(xué)基金和軍隊重點科研等項目20余項，發(fā)表SCI/EI收錄論文共計120余篇，研究成果入選中國光學(xué)重要成果。