Nano Letters: 献给至爱梵高——灵动的星空
海归学者发起的公益学术平台
分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
“当我画太阳时，我希望使人们感觉到它是以一种惊人的速度旋转着，正在发出威力巨大的光和热的浪。当我画一块麦田时，我希望人们感觉到麦粒内部的原子正朝着它们最后的成熟和绽开而努力。当我画一棵苹果树时，我希望人们能感觉到苹果里面的果汁正把苹果皮撑开，果核中的种子正在为结出自己的果实而努力”——荷兰画家温森特·梵高的作品以极强的时间画面感震撼了无数的艺术爱好者。然而，油画本身并不会随着时间的推移而演绎一幅幅的画面。近日，湖南大学段辉高教授同德国马普智能系统研究所Na Liu教授合作开发出一种新型显色技术动态重现了梵高著名的作品《星空》，相关工作发表在Nano Letters上。
结构色全彩印刷
基于衍射、干涉或散射的结构色无油墨彩色打印技术在高分辨彩色显示、滤色器、高密度光学数据存储、商业化的防伪及数据加密中有着重要的应用。相比于传统的油墨染料打印，结构色拥有高分辨、环境友好、不易褪色等优点。在结构色的设计方案中，基于等离激元纳米结构的高分辨彩色打印是近些年来结构色的主要研究方向。等离激元彩色打印以不同大小和形状的金属纳米结构为像素单元，利用金属内部的等离激元共振可选择性地增强光的散射和吸收，从而实现颜色的产生。基于此原理，2012年，湖南大学段辉高及新加坡科技局Joel Yang等人通过金/银纳米结构首次实现了10万dpi的高分辨无油膜的全彩打印，但贵金属的使用限制了其广泛的应用。为了克服此困难，2015年，新加坡科技局Joel Yang等科研人员将低成本、化学性质稳定的金属铝应用到等离激元高分辨彩色打印中，清晰地微缩重构出莫奈的名画《日出·印象》。基于金属铝的等离激元彩色打印提供了一种更为实用化的无油膜彩色打印的方案，然而在实际应用中动态的像素可携带更多的信息，因而具有更广泛的应用前景。在此背景下，2017年初，德国马普智能系统研究所的Na Liu研究团队运用智能金属材料镁的催化氢化及脱氢反应实现了等离激元结构色的动态调控。这种设计不仅具有极高分辨率，同时还可以应用于高密度信息存储。但是，这种基于镁的等离激元结构色存在色彩饱和度差、色域窄等不足，限制了其高端应用。
智能结构色器件设计
为了提高结构色的纯度并扩展其色域，2016年，湖南大学段辉高课题组提出了一种新方案。他们基于纳米精度的灰度台阶加工，在金属铝（Al）镜上实现像素化的多厚度法布里-帕罗共振腔（FP腔），利用不同介质厚度FP腔选择性消光的物理原理，实现了广色域、高纯度的高分辨全彩打印，同时将梵高著名的《向日葵》作品微缩至头发丝大小的尺度并能清晰地重现。在此方案的基础上，近日，段辉高课题组与德国马普智能系统研究所Na Liu课题组展开国际合作，将智能金镁/钛/钯智能金属层沉积在多台阶的FP腔表面，实现了基于结构色的可动态调控彩色显示器件。器件的工作原理如图1所示：在未氢化的情况下，由于沉积的金属镁将入射的可见光全反射回去，故整个画面呈现为白色。当器件置于氢气氛围时，在金属钯的催化下，氢分子变成氢原子，并与金属镁结合发生氢化反应形成透明的氢化镁（MgH2）介质，进而金属镁由全反射态转变成透明的MgH2介质态，形成对特定波长吸收的FP腔，从而实现颜色的效果。同时，颜色也可以通过引入O2而逐渐褪去，这是因为介质MgH2遇到O2发生脱氢反应又变回金属Mg状态，画面回到全白状态。
图 1. （a）为基于多台阶的FP腔动态彩色显示器件的示意图；（b）为该器件的工作原理图。
全彩色动态显示
基于上述的彩色打印原理，实现了梵高著名的《星空》时间演绎，如图2所示，整幅画面的横向尺寸为500微米。在未通入H2时，这个画面主要以黑白色调描绘的近处的树木及远处的山脉、房屋，天空一片空白。当有H2引入，整个画面逐渐开始出现颜色，天空逐渐变成蓝色，旋转的云彩及月亮逐渐显现，随着H2通入时间的延续，整幅画面的颜色纯度逐渐提高，直至达到饱和不再发生变化。在逆过程中通入O2，整幅星空又逐渐恢复到黑白色调的素描画面。作为一种全新的显色概念，该技术在动态显色元件、智能汽车玻璃、高端信息加密与防伪等领域具有应用前景。
图 2. 动态演绎的梵高名画《星空》
人物介绍
段辉高，湖南大学机械与运载工程学院教授，2016中国十大新锐科技人物入选者，主要研究方向为微纳制造与微系统技术。
学术发表的认知度调研
NgAgo的撤稿，显示学术论文的发表，坑和雷都不少。如果您是一位已经或将要在国际学术期刊上发表论文的学者，我们郑重地邀请您参与我们的作者调查。这将帮助西方出版行业了解中国学者的在出版过程中遇到的问题和诉求。请点击“阅读原文”，进入调查问卷。
活动结束后，为感谢您的支持，我们将抽取幸运参与者予以奖励。奖品包括第74届雨果奖得主郝景芳的签名小说！
媒体转载或者合作请看下方↓↓↓
service@scholarset.com 或微信ID: scholarset
回复“目录”或“分类”，浏览知社更多精华。长按二维码识别，可以关注/进入公众号进行回复。