藍閃蝶的翅膀微結構
光影繪畫的概念圖
生成全色納米繪畫的電子顯微鏡圖像
中國航空報訊：9月中旬，光學權威期刊Optica雜誌在線發表了一篇十分有趣的論文：其研究主題，是一種全新的「用光繪畫技術」。來自南京大學的徐挺教授和陸延青教授帶領其課題組，聯合美國國家標準與技術研究院的研究人員，合作完成一項利用自然光結構色來繪畫的實驗，他們超高精度地復現了17世紀荷蘭藝術家揚·維米爾的傳世畫作《戴珍珠耳環的少女》。
以光代筆
陽光包含幾種顏色？對於這個問題，稍有物理常識的人一般都知道：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。
1666年，科學巨匠牛頓在家休假期間，做了一項著名的光譜分析試驗，他發現自然光透過三稜鏡折射，可呈現出包含七種顏色的絢麗色散現象，這為後來的光譜學研究奠定了理論基礎。
1801年，英國學者託馬斯·楊研究了人眼視覺對顏色的感知，他指出在可見光譜的位置排列上，只需選擇三種基本色，按不同的比例疊加組合，就幾乎可產生任何一種顏色；而隨後德國學者赫爾曼·馮·亥姆霍茲在1856年至1867年期間，繼續對視覺顏色進行了深入分析，確立了光的三原色理論。直到現在，我們生活中幾乎所有的彩色顯示屏，都是基於紅、綠、藍三原色組合，來呈現出不同的畫面。
既然可見光中本來就有顏色，而三原色組合又可以產生各種色彩，那你有沒有想過，用自然光直接繪畫，結果將會如何？在這項實驗中，當自然光透過一個承載微納結構的載玻片，《戴珍珠耳環的少女》被完美投射出來。
更讓人驚嘆的是：第一，這幅「畫」的實際尺寸只有一毫米左右，需要通過顯微鏡才能觀察到細節；第二，「繪畫」沒用任何顏料，僅靠微納結構材料對光的折射轉化，就為整幅畫精確塗上了應有的色彩；第三，首次實現了對光色明暗過渡的控制，讓整幅畫看上去更加富有立體感。
這項由科學家完成的「藝術」活兒，不僅讓微納光學研究更進一步，將來還會帶來一些有趣的應用空間。
藍閃蝶的翅膀微結構
光影繪畫的概念圖
生成全色納米繪畫的電子顯微鏡圖像
中國航空報訊：9月中旬，光學權威期刊Optica雜誌在線發表了一篇十分有趣的論文：其研究主題，是一種全新的「用光繪畫技術」。來自南京大學的徐挺教授和陸延青教授帶領其課題組，聯合美國國家標準與技術研究院的研究人員，合作完成一項利用自然光結構色來繪畫的實驗，他們超高精度地復現了17世紀荷蘭藝術家揚·維米爾的傳世畫作《戴珍珠耳環的少女》。
以光代筆
陽光包含幾種顏色？對於這個問題，稍有物理常識的人一般都知道：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。
1666年，科學巨匠牛頓在家休假期間，做了一項著名的光譜分析試驗，他發現自然光透過三稜鏡折射，可呈現出包含七種顏色的絢麗色散現象，這為後來的光譜學研究奠定了理論基礎。
1801年，英國學者託馬斯·楊研究了人眼視覺對顏色的感知，他指出在可見光譜的位置排列上，只需選擇三種基本色，按不同的比例疊加組合，就幾乎可產生任何一種顏色；而隨後德國學者赫爾曼·馮·亥姆霍茲在1856年至1867年期間，繼續對視覺顏色進行了深入分析，確立了光的三原色理論。直到現在，我們生活中幾乎所有的彩色顯示屏，都是基於紅、綠、藍三原色組合，來呈現出不同的畫面。
既然可見光中本來就有顏色，而三原色組合又可以產生各種色彩，那你有沒有想過，用自然光直接繪畫，結果將會如何？在這項實驗中，當自然光透過一個承載微納結構的載玻片，《戴珍珠耳環的少女》被完美投射出來。
更讓人驚嘆的是：第一，這幅「畫」的實際尺寸只有一毫米左右，需要通過顯微鏡才能觀察到細節；第二，「繪畫」沒用任何顏料，僅靠微納結構材料對光的折射轉化，就為整幅畫精確塗上了應有的色彩；第三，首次實現了對光色明暗過渡的控制，讓整幅畫看上去更加富有立體感。
這項由科學家完成的「藝術」活兒，不僅讓微納光學研究更進一步，將來還會帶來一些有趣的應用空間。
來自大自然的靈感
徐挺現在是南京大學的教授、博士生導師。多年來，他一直專注在人工微結構納米超材料在成像和檢測方面的應用研究，方向包括人工超材料、納米光子學、表面等離子體電化學材料器件以及微納米加工技術，在Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters等權威期刊發表過60餘篇高水準論文。
徐挺介紹，傳統意義上的繪畫，肯定需要各種顏料，但絕大多數顏料對於環境的友好度、穩定性是比較差的，如果沒有特殊保護，一幅畫掛一段時間就會褪色，特別是在高溫或強光影響下，褪色尤其快，而化學顏料對人體健康也有損害。
但是在大自然中，有很多十分鮮豔的顏色，實際上並不是色素造成的，而是光的幻象。例如，在南美洲有一種蝴蝶叫藍閃蝶，翅展約15釐米，在陽光照射下能呈現出十分絢麗的藍色金屬光澤。科學家曾對大藍閃蝶的翅膀進行微觀研究，發現其翅面覆蓋的鱗片，在微觀結構上十分精妙，由多層立體光柵構成，當光線照射到翅上時，這些結構對光有折射、反射和繞射等多重作用，最終把藍色、或偏紫色凸顯出來。
這意味著，科學家們也可利用微結構原理，來精準控制光的反射、幹涉或者衍射等，從而產生各種不同的色彩，業界將這種技術稱為結構色，是近年來學術圈比較熱的研究方向之一。
結構色相比於傳統顏料，其最大的好處是構成物質單一。無論要展現什麼樣的顏色，差別只在於材料結構本身的設計調整，它的物理跟化學穩定性比較高，無論強光照射還是常規的溫差變化，都不會對它產生的顏色造成任何影響，同時，它也不會對環境或人體造成化學侵害。
在這項實驗中，用結構光繪畫《戴珍定的顏色強度有精準的調控方式；第二是加工結構陣列，很多納米柱的尺寸非常小，一般只有幾十到幾百個納米。
徐挺補充說：「從原理看，我們目前用結構光做一幅大的圖像完全沒問題，但做大反而不能呈現出我們的優勢，我們現在能在毫米甚至亞毫米尺度，把這幅畫作的細節完全展現出來，沒有任何細節丟失，這才是我們的優勢。」
第一步就是選擇材料製作基底和納米柱。徐挺介紹，基底載玻片選擇的材料是二氧化矽，該材料對整個可見光頻段的透光率都非常高，而納米柱選用的材料則是二氧化鈦，該材料對可見光沒有太多吸收且折射率比較高，利於對光場的調控。
這幅畫的微結構包含很多複雜的光學珠耳環的少女》旨在探索技術的邊界，其本質就是要基於微納結構，對可見光光譜進行一次精準調控，研究人員抱著這樣的目的開始了「繪畫」研究。
與此前業內的相關研究相比，本研究的最大亮點在於，不但可以產生各類顏色，還能產生明暗強度的變化。產生指定結構色很多科研團隊都能做到，但那種情況下，如果用來繪畫實際上只能是色塊的組合，整幅畫裡只有顏色區分，沒有陰影變化，缺乏生機感和立體感，如果要復現一張油畫的畫面，用結構色是很難實現的，這便是此項技術研究的門檻所在。
操控光線的納米柱
實驗過程的難度跟挑戰主要體現在兩方面：第一是理論結構設計。一般來看，結構光顏色透過率越高越好，利用率越高越好，但在實際應用場景中，則需要考慮到畫面層次分明的細節，需要對某一個特原理設計，簡單概括，就是把二氧化鈦納米柱加工成不同的橢圓形狀和排列，讓它們因為共振效應選擇性輸出紅色、綠色和藍色三原色，類似於顯示屏中的像素。
然後通過改變這些橢圓形納米柱的轉角，讓它們對於入射的偏振光起到偏振方向旋轉的作用，這不會影響它們的出射光強度，卻能把三原色投射在指定區域組合成指定的顏色。最後，研究人員在載玻片的背面放置了一個特殊的偏光濾鏡，來調節光線輸出的強度。如此，不但能實現各種顏色，而且每一個顏色的明暗都能得到控制。
在微結構加工過程中，研究人員採用原子層沉積技術和電子束光刻技術來實現。即首先在載玻片上沉積一層僅數百納米厚的超薄聚合物，然後使用電子束光刻，在聚合物中開挖了數百萬個尺寸和方向不同的小孔，利用原子層沉積技術，用二氧化鈦回填這些孔洞，最終，團隊清除掉孔周圍的所有聚合物，留下了數百萬個納米級的二氧化鈦柱，這些納米柱對光線的轉化清晰地複製了《戴珍珠耳環的女孩》，甚至捕獲了畫布上的紋理細節。
用光繪畫有什麼用？
由於設計製作過程的精密度和複雜度，徐挺表示，完成這項實驗投入的製作成本相對來說還是比較高的，但如果想投入大規模產業應用，把第一個模板設計雕刻好之後，可以通過複製的方式，比如納米壓印的方法，來複製這些圖形結構，以降低生產成本。
想必很多人讀到這裡都比較好奇，費了這麼大勁整一幅畫到底有什麼用處？徐挺表示，首先這是一種特殊的加密信息存儲方式，可以通過控制光的不同波長輸出和投射轉化，把圖像或文字存儲到一個玻璃片上，由於每一個像素都是納米級的，保存的信息會非常豐富。
其次，實驗需要通過特殊偏光濾鏡調節才能展現出一張清晰漂亮的畫，如果把這個濾鏡拿掉，那呈現出來的圖案是完全不一樣的，且由於這個微納結構的原始設計和製作相當複雜，很難去仿造，在一定程度上，該技術可以用來做高價值物品的防偽，給某些物品編碼圖像和文字，這個「防偽」標識只有通過一些特殊手段，才能看到它真實的樣貌。
而最廣泛的應用，可能是幫助產業提升對結構色更為精細化的操控能力。結構色的物理穩定性和化學穩定性都比傳統化學顏料高，風吹日曬永不褪色，可以用來做一些裝飾類應用。
實際上，當前主流的消費電子產品已經用到了相關技術，很多旗艦手機的背板開始採用那種流光溢彩的顏色，原理就是採用了一些微結構調光的技術，以此來呈現絢麗的顏色；而如果能做到納米級，那麼對光的調控維度就更大，能實現更細緻和獨特的效果，進一步提升產品的差異化和美感。
徐挺的下一個計劃，是讓用光繪畫由靜變動。主流的顯示技術基本上都是動態的，但微納結構本身受限於固定的材料結構，如何實現動態仍在進一步研究當中。
他設想，將來通過一些輔助設備對光的角度和強度調節，有望實現在同一個結構上，稍加調整就能展現出另一副油畫，圖像可以動態切換過去，而不像現在這樣只能固定投射出一幅畫。