源自鳥類的靈感：結構色新技術

研究人員受傘鳥羽毛的啟發，開發了一種更耐用、成本效益更高的新型系統來構建具有結構色的大規模超材料。

來源 SEAS（哈佛大學工程與應用科學學院）

撰文 Leah Burrows

翻譯 彭曉晗

審校 韓宇

孔雀羽毛呈現的亮青色和鮮藍色並非色素所致，而是由於納米級網路反射了特定波長的光。這種「結構色」因其耐用性以及在太陽能陣列、仿生組織和適應性偽裝中的應用潛能而受到研究人員和工程師的長期青睞，但目前將結構色應用到材料中的技術既耗時又昂貴。

孔雀的羽本是棕色，但納米級網路反射的光線使其光鮮亮麗。圖片來源： WikiCommons

現在，哈佛大學工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員與阿卜杜拉國王科技大學合作，開發了一種更耐用、成本效益更高的新型系統來構建具有結構色的大規模超材料。該結果發表於Nature Light：Science and Applications（論文信息見文末）。

孔雀的羽毛、蝴蝶的翅膀都依靠「光子晶體」（高度有序的納米纖維陣列）來產生顏色。在實驗室中重建這些結構需要的工藝精密且昂貴，但SEAS研究人員卻從一種特殊的羽毛上找到了靈感。

傘鳥是地球上最華麗的鳥類之一：在亞馬遜的綠色林海之中，它們的羽毛大多為鐵藍色、明亮的橙色和充滿活力的紫色。

這種傘鳥 （Cotinga maynana，喉嚨處為紫紅色）由於納米級的角蛋白網路而獲得鮮艷的色彩。圖片來源：Flickr

與孔雀羽毛具有有序納米的結構陣列不同，傘鳥羽毛的鮮艷色調來自一種無序多孔的角蛋白納米網路，其結構與海綿和珊瑚叢類似。當光線照射羽毛時，多孔的角蛋白結構 導致紅光和黃光自相抵消，而藍光則得到增強。

本文作者、SEAS 資深教授 Federico Capasso 說： 「通常我們將『無序』與『不可控』相聯繫。但這裡，無序則成為優勢，可用於設計製造功能多樣、應用廣泛的新型超材料」。

受傘鳥羽毛的啟發，研究人員使用簡單的蝕刻工藝在金屬合金中製造複雜但排列隨機的多孔納米網路，然後用超薄的透明氧化鋁層塗覆該結構。

三維重建圖：氧化鋁塗層（藍色）下的多孔納米結構（紫色）。圖片來源：Henning Galinski

你可能在想，金屬合金除灰色以外還能呈現什麼顏色呢？事實證明，很多！從19世紀英國科學家邁克爾?法拉第（Michael Faraday）起，科學家就已經知道金屬含有大量顏色，只是難以顯現。例如，根據不同的尺寸和形狀，金顆粒可以呈現紅色、粉紅色、甚至藍色。

多孔納米結構在合金的不同區域產生不同的顏色，這取決於透明塗層的厚度。

多孔納米結構中表面光與物質的相互作用。上圖：有氧化鋁塗層，且不同區域塗層厚度不同；下圖：無塗層。圖片來源：Henning Galinski

沒有氧化鋁塗層的合金材料看起來是暗的。帶有33納米厚塗層的材料反射藍光。而塗層厚度達到45納米時，材料變為紅色，53納米厚時則顯示黃色。通過改變塗層厚度，研究人員可以使合金呈現漸變色。

本文通訊作者、阿卜杜拉國王科技大學教授 Andrea Fratalocchi 說：「這相當於一種具有極大數量微觀多彩光源的材料。氧化物薄層的存在能控制這些光源的強度——根據塗層厚度不同進行調控。這項研究展示了『無序性』如何變成一種非常強大的技術，實現傳統媒介無能為力的大規模應用。」

這種超表面極其輕便且防刮，可滿足大規模商業應用，例如汽車的輕質塗層、仿生組織和軍事偽裝。

論文共同第一作者、前 Capasso 研究組博士後 Henning Galinski 說：「這是控制超材料中光學響應的全新方式，並且可以在傳統光刻技術無技可施的狹小區域內實現。 上述系統為製造大規模、高性能的超材料鋪平道路。這些新型材料將呈現非常有趣的色彩。」

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

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本文鏈接 http://www.keyanquan.net/thesis/detail/394

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論文基本信息

【題目】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.

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