源自鸟类的灵感：结构色新技术 | Nature Light 论文推荐

研究人员受伞鸟羽毛的启发，开发了一种更耐用、成本效益更高的新型系统来构建具有结构色的大规模超材料。

来源 SEAS（哈佛大学工程与应用科学学院）

撰文 Leah Burrows

翻译 彭晓晗

审校 韩宇

孔雀羽毛呈现的亮青色和鲜蓝色并非色素所致，而是由于纳米级网络反射了特定波长的光。这种“结构色”因其耐用性以及在太阳能阵列、仿生组织和适应性伪装中的应用潜能而受到研究人员和工程师的长期青睐，但目前将结构色应用到材料中的技术既耗时又昂贵。

孔雀的羽本是棕色，但纳米级网络反射的光线使其光鲜亮丽。图片来源： WikiCommons

现在，哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员与阿卜杜拉国王科技大学合作，开发了一种更耐用、成本效益更高的新型系统来构建具有结构色的大规模超材料。该结果发表于Nature Light：Science and Applications（论文信息见文末）。

孔雀的羽毛、蝴蝶的翅膀都依靠“光子晶体”（高度有序的纳米纤维阵列）来产生颜色。在实验室中重建这些结构需要的工艺精密且昂贵，但SEAS研究人员却从一种特殊的羽毛上找到了灵感。

伞鸟是地球上最华丽的鸟类之一：在亚马逊的绿色林海之中，它们的羽毛大多为铁蓝色、明亮的橙色和充满活力的紫色。

这种伞鸟 （Cotinga maynana，喉咙处为紫红色）由于纳米级的角蛋白网络而获得鲜艳的色彩。图片来源：Flickr

与孔雀羽毛具有有序纳米的结构阵列不同，伞鸟羽毛的鲜艳色调来自一种无序多孔的角蛋白纳米网络，其结构与海绵和珊瑚丛类似。当光线照射羽毛时，多孔的角蛋白结构 导致红光和黄光自相抵消，而蓝光则得到增强。

本文作者、SEAS 资深教授 Federico Capasso 说： “通常我们将‘无序’与‘不可控’相联系。但这里，无序则成为优势，可用于设计制造功能多样、应用广泛的新型超材料”。

受伞鸟羽毛的启发，研究人员使用简单的蚀刻工艺在金属合金中制造复杂但排列随机的多孔纳米网络，然后用超薄的透明氧化铝层涂覆该结构。

三维重建图：氧化铝涂层（蓝色）下的多孔纳米结构（紫色）。图片来源：Henning Galinski

你可能在想，金属合金除灰色以外还能呈现什么颜色呢？事实证明，很多！从19世纪英国科学家迈克尔•法拉第（Michael Faraday）起，科学家就已经知道金属含有大量颜色，只是难以显现。例如，根据不同的尺寸和形状，金颗粒可以呈现红色、粉红色、甚至蓝色。

多孔纳米结构在合金的不同区域产生不同的颜色，这取决于透明涂层的厚度。

多孔纳米结构中表面光与物质的相互作用。上图：有氧化铝涂层，且不同区域涂层厚度不同；下图：无涂层。图片来源：Henning Galinski

没有氧化铝涂层的合金材料看起来是暗的。带有33纳米厚涂层的材料反射蓝光。而涂层厚度达到45纳米时，材料变为红色，53纳米厚时则显示黄色。通过改变涂层厚度，研究人员可以使合金呈现渐变色。

本文通讯作者、阿卜杜拉国王科技大学教授 Andrea Fratalocchi 说：“这相当于一种具有极大数量微观多彩光源的材料。氧化物薄层的存在能控制这些光源的强度——根据涂层厚度不同进行调控。这项研究展示了‘无序性’如何变成一种非常强大的技术，实现传统媒介无能为力的大规模应用。”

这种超表面极其轻便且防刮，可满足大规模商业应用，例如汽车的轻质涂层、仿生组织和军事伪装。

论文共同第一作者、前 Capasso 研究组博士后 Henning Galinski 说：“这是控制超材料中光学响应的全新方式，并且可以在传统光刻技术无技可施的狭小区域内实现。 上述系统为制造大规模、高性能的超材料铺平道路。这些新型材料将呈现非常有趣的色彩。”

原文链接：

http://www.seas.harvard.edu/news/2016/11/new-technique-for-structural-color-inspired-by-birds

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本文链接 http://www.keyanquan.net/thesis/detail/394

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论文基本信息

【题目】Scalable, ultra-resistant structural colors based on network metamaterials

【作者】Henning Galinski et.al.

【期刊】Nature Light: Science and Applications

【日期】27 September 2016

【DOI】10.1038/lsa.2016.233

【摘要】Structural colors have drawn wide attention for their potential as a future printing technology for various applications, ranging from biomimetic tissues to adaptive camouflage materials. However, an efficient approach to realize robust colors with a scalable fabrication technique is still lacking, hampering the realization of practical applications with this platform. Here, we develop a new approach based on large-scale network metamaterials that combine dealloyed subwavelength structures at the nanoscale with lossless, ultra-thin dielectric coatings. By using theory and experiments, we show how subwavelength dielectric coatings control a mechanism of resonant light coupling with epsilon-near-zero (ENZ) regions generated in the metallic network, generating the formation of saturated structural colors that cover a wide portion of the spectrum. Ellipsometry measurements support the efficient observation of these colors, even at angles of 70 degrees. The network-like architecture of these nanomaterials allows for high mechanical resistance, which is quantified in a series of nano-scratch tests. With such remarkable properties, these metastructures represent a robust design technology for real-world, large-scale commercial applications.

【链接】http://aap.nature-lsa.cn:8080/cms/accessory/files/AAP-lsa2016233.pdf

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