第一作者：Amy E. Goodling, SaraNagelberg
通訊作者：Lauren D. Zarzar
通訊單位：賓夕法尼亞州立大學(xué)
研究亮點(diǎn)：
1. 從無色液滴中看見顏色，并能控制顏色范圍，甚至形成像素圖像。
2. 發(fā)現(xiàn)了一種基于微尺度曲面的全內(nèi)反射和光干涉產(chǎn)生彩虹結(jié)構(gòu)色的全新機(jī)制。
愛美之心，人皆有之。色彩，則是美的主要來源之一。正所謂燈紅酒綠，五光十色，幾個(gè)世紀(jì)以來，在人類追逐色彩的歷史長河中，大自然賦予了不少靈感。
顏色的來源
藝術(shù)作品和服裝中的顏色最早來源于天然的顏料和染料，它們能夠選擇性地吸收某些波長的可見光。蝴蝶翅膀和珍珠母中豐富的色彩則得益于色素的積累和微觀結(jié)構(gòu)光散射的集合。在蝴蝶翅膀和珍珠母中，微觀結(jié)構(gòu)的尺寸與可見光的波長大致相同，當(dāng)微米級或納米級結(jié)構(gòu)化表面與可見光發(fā)生干涉時(shí)即會形成顏色，這種效應(yīng)稱為結(jié)構(gòu)著色。
色彩：從無到有
2019年2月，賓夕法尼亞州立大學(xué)Lauren D. Zarzar教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)及其合作者發(fā)現(xiàn)了一種在無色的液滴中產(chǎn)生彩虹結(jié)構(gòu)色的全新機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)了通過無色液滴來控制顏色，甚至形成像素級圖像。
無色液滴產(chǎn)生的彩虹結(jié)構(gòu)色
Goodling等人觀察到，當(dāng)一束白光照射到無色的小液滴并發(fā)生反射時(shí)，不對稱的微米級液滴顯示出明顯的著色。液滴本身是無色的，因此，顏色必須來自光與液滴結(jié)構(gòu)的相互作用。
當(dāng)作者在顯微鏡下觀察液滴時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)液滴邊緣特異性地出現(xiàn)有色光，從而在邊緣周圍形成圓形暈圈。此外，液滴根據(jù)視角改變顏色，表現(xiàn)出彩虹色：從粉紅色到黃色，從綠色到藍(lán)色，到根本沒有顏色。當(dāng)視角固定時(shí)，從液滴反射的光的顏色強(qiáng)烈依賴于液滴的尺寸和形態(tài)。不同尺寸的液滴懸浮液表現(xiàn)出閃爍的白色，而相似尺寸的液滴懸浮液則表現(xiàn)出均勻的顏色。
色彩從哪里來
為了深入探究這種結(jié)構(gòu)色效果背后的物理機(jī)制，Goodling等人進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和模擬研究。與白光折射穿過玻璃時(shí)獲得的彩虹色不同，從無色液滴觀察到的顏色范圍對視角具有依賴性，因此不能通過材料色散的機(jī)制（材料的折射率隨波長變化）來解釋。
作者認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)色是基于光干涉所產(chǎn)生：由邊緣進(jìn)入液滴的光線沿著液滴的曲面進(jìn)行全內(nèi)反射，通過改變液滴界面的長度和曲率，研究人員能夠控制所產(chǎn)生的顏色范圍。光線沿液滴的內(nèi)表面通過，并從液滴的相對邊緣射出，由于出射光線之間的干涉而產(chǎn)生明顯顏色。而光線通過液滴時(shí)所采用的特定路徑也對所表現(xiàn)出的顏色有所影響，這就解釋了為什么顏色對液滴尺寸，形態(tài)和視角具有高度依賴性。
除此之外，Goodling等人通過將液滴排成2D陣列，創(chuàng)建出了像素化圖像。他們通過調(diào)整液滴形狀、大小或液體成分來操縱每個(gè)像素的顏色。此外，他們還證明固體顆粒和聚合物微結(jié)構(gòu)也可以表現(xiàn)出這種效果。
未來可期
觀察到由于微小液滴的光散射而產(chǎn)生的顏色，并非Lauren D.Zarzar團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)。大氣的光學(xué)效應(yīng)所產(chǎn)生的彩虹、彩霞等等現(xiàn)象，其明亮的色彩就來源于陽光與亞毫米級水滴之間錯綜復(fù)雜的相互作用。彩霞與作者觀察到的著色效果就頗有相似之處，它們是由云中的水滴散射的太陽光線的干擾造成，并且可以通過一套完善的麥克斯韋方程解決方案來解釋，稱為米氏理論。然而，米氏理論僅描述了球形顆粒的散射，而 Goodling等人的實(shí)驗(yàn)涉及非球形顆粒，因此米氏理論無法直接解釋。因此，這種液滴著色是否與大氣光學(xué)效應(yīng)具有相同的物理起源，很值得進(jìn)一步考究。
看到這里，很多人就會問了。這個(gè)東西有什么用？不好意思，還真的有用。這項(xiàng)技術(shù)極有可能運(yùn)用到顯示器和傳感器領(lǐng)域，但是路途確實(shí)艱難。因?yàn)椋褂眠@種方法產(chǎn)生的顏色僅在某些視角的反射光下可見，并且需要從固定方向照射，這可能限制其應(yīng)用范圍，但也正是其獨(dú)特之處。
參考文獻(xiàn)：
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
