Nature：基于微凹面全内反射、干涉的结构色- 大数跨境

两江科技评论

2019-04-01

导读：最近，来自宾夕法尼亚州立大学和麻省理工的科研人员把结构色玩出了新的高度。像美丽的晚霞，雨后的彩虹，空中漂浮的肥皂泡，家里好久没拿出来播放的CD……结构色不仅好看，还有用，鸟类就用它来装饰和伪装自己。

颜色的产生

在缤纷多彩的世界中，我们常常被丰富多彩的颜色所吸引。从五彩斑斓的花朵到绚丽的彩虹，从五光十色的衣服到美丽的羽毛。在颜色的背后，是眼睛对不同波长光的主观感觉。在自然界中，我们日常所见的阳光是多种波长的混合光，当色素（颜料或者染料）对某一部分波长的光进行选择性吸收时，被吸收波长的互补色就会突出，我们也就看到了各种各样的颜色，一般我们把这种颜色称之为化学色。

不同于色素对不同波长光“偏爱”地吸收，太阳光被不同结构或物质散射、衍射或者干涉之后，混合光会“发散”开，展现出不同的颜色，我们把这种颜色称之为物理色，又可以叫做结构色。像美丽的晚霞，雨后的彩虹，空中漂浮的肥皂泡，家里好久没拿出来播放的CD……结构色不仅好看，还有用处，鸟类就用它来装饰和伪装自己。最近，来自宾夕法尼亚州立大学和麻省理工的科研人员就把结构色玩出了新的高度，该文章以Colouration by total internal reflection and interference at microscale concave interfaces为题，发表在《Nature》期刊上。

创新研究

为了方便理解，我们先从简单模型开始介绍。图a中是具有η接触角的水平圆柱段，当一束白光垂直入射到圆柱段内，不同光线沿凹面的不同轨迹相互干涉（图d），产生可以观察到的颜色（图c）。当改变光的入射角和出射角，我们可以看到不同波长光的出射强度变化，图e就是其光谱特征。

以上介绍仅仅是二维情况，如果把圆柱段换成三维双相液滴会发生什么变化呢？研究人员把含有庚烷（折射率1.37）和全氟己烷（折射率1.27）的单分散、双相球帽装油滴分散在水的表面活性剂中。微观观察表明，反射光来自液滴三相接触线的的环上。在平行白光照射下，光在油滴之间向上凹界面处发生全反射，且在光束内不同位置产生微小光程差，进而使得不同波长的光发生干涉。这表明颜色是由于单个液滴内的光-物质相互作用，而不是周期性液滴排列导致的。

为了系统地量化这些材料的光散射和彩虹色，并捕获整个颜色分布与角度之间的关系，研究人员将反射光投射到半透明的半球形屏幕上。这种技术能够在一张图像中可视化所有视角的所有颜色（下图a-c）。研究发现，颜色的角度分离很大，从红色到蓝色的角度约为30-35°。

考虑到分色现象发生在相邻体积的高折射率和低折射率介质的微尺度凹界面上，研究人员假设光沿凹界面发生了全内反射（TIR）。尽管TIR解释了反射的光为什么会很强，但它本身不能解释观察到的颜色变化。一般来说，彩虹色的结构颜色可以通过材料的不同路径的光干涉形成。在光子晶体或光栅中，周期性结构产生强烈干涉，而这种周期性在液滴双相系统中是不存在的。

另一种可能是光在球形水滴中发生米氏散射，进而形成彩虹色。然而米氏理论仅适用于球对称的粒子，液滴双相系统中也是不存在的。因此，研究人员假设观察到的颜色是由于光在沿凹面界面的不同路径上由TIR传播的干涉造成的并证实了这一猜想。