用光绘画，华人科学家用纳米结构微观复现《戴珍珠耳环的少女》

现在很多旗舰手机的背部面板都开始用上了流光溢彩的颜色，这种独特的设计美学，已成为当前数码圈的一种时尚潮流，也是很多品牌独家的产品差异化所在。

但你知道吗？这种流光溢彩的颜色，其实已经不能单靠化学颜料和油漆油墨所能实现，它们都开始运用上一项新技术：结构色，对于结构色越来越精细的调控，可以让我们玩转光和色彩。

9 月中旬，光学权威期刊 Optica 杂志在线发表了一篇十分有趣的论文：其研究主题，是一种全新的“用光绘画技术”。

来自南京大学的徐挺教授和陆延青教授带领其课题组，联合美国国家标准与技术研究院的研究人员，合作完成一项利用自然光结构色来绘画的实验，他们超高精度地复现了十七世纪荷兰艺术家扬·维米尔的传世画作《戴珍珠耳环的少女》。

图｜光影绘画的概念图（来源：徐挺）

以光代笔

阳光包含几种颜色？对于这个问题，稍有物理常识的人一般都知道：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

1666 年，科学巨匠牛顿在家休假期间，做了一项著名的光谱分析试验，他发现自然光透过三棱镜折射，可呈现出包含七种颜色的绚丽色散现象，这为后来的光谱学研究奠定了理论基础。

1801 年，英国学者托马斯·杨研究了人眼视觉对颜色的感知，他指出在可见光谱的位置排列上，只需选择三种基本色，按不同的比例叠加组合，就几乎可产生任何一种颜色；而随后德国学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹在 1856 年至 1867 年期间，继续对视觉颜色进行了深入分析，确立了光的三原色理论。

直到现在，我们生活中几乎所有的彩色显示屏，都是基于红、绿、蓝三原色组合，来呈现出不同的画面。

既然可见光中本来就有颜色，而三原色组合又可以产生各种色彩，那你有没有想过，用自然光直接绘画，结果将会如何？

在这项实验中，当自然光透过一个承载微纳结构的载玻片，《戴珍珠耳环的少女》被完美投射出来。

更让人惊叹的是：第一，这幅“画”的实际尺寸只有一毫米左右，需要通过显微镜才能观察到细节；第二，“绘画”没用任何颜料，仅靠微纳结构材料对光的折射转化，就为整幅画精确涂上了应有的色彩；第三，首次实现了对光色明暗过渡的控制，让整幅画看上去更加富有立体感。

这项由科学家完成的“艺术”活儿，不仅让微纳光学研究更进一步，将来还会带来一些有趣的应用空间。

来自大自然的灵感

徐挺现在是南京大学的教授、博士生导师，他于 2011 年取得了中国科学院光学工程博士学位，导师为罗先刚院士。毕业后进入 NIST 担任博士后助理研究员，并于 2014 年升任研究员，2015 年全职加盟南京大学现代工程与应用科学学院。多年来，他一直专注在人工微结构纳米超材料在成像和检测方面的应用研究，方向包括人工超材料、纳米光子学、表面等离子体电化学材料器件以及微纳米加工技术，在Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters 等权威期刊发表过60余篇高水准论文。

徐挺介绍，传统意义上的绘画，肯定需要各种颜料，但绝大多数颜料对于环境的友好度、稳定性是比较差的，如果没有特殊保护，一幅画挂一段时间就会褪色，特别是在高温或强光影响下，褪色尤其快，而化学颜料对人体健康也有损害。

但是在大自然中，有很多十分鲜艳的颜色，实际上并不是色素造成的，而是光的幻象。例如，在南美洲有一种蝴蝶叫蓝闪蝶，翅展约 15 厘米，在阳光照射下能呈现出十分绚丽的蓝色金属光泽。科学家曾对大蓝闪蝶的翅膀进行微观研究，发现其翅面覆盖的鳞片，在微观结构上十分精妙，由多层立体光栅构成，当光线照射到翅上时，这些结构对光有折射、反射和绕射等多重作用，最终把蓝色、或偏紫色凸显出来。

图｜蓝闪蝶的翅膀微结构（来源：Nature）

这意味着，科学家们也可利用微结构原理，来精准控制光的反射、干涉或者衍射等，从而产生各种不同的色彩，业界将这种技术称为结构色，是近年来学术圈比较热的研究方向之一。

结构色相比于传统颜料，其最大的好处是构成物质单一。无论要展现什么样的颜色，差别只在于材料结构本身的设计调整，它的物理跟化学稳定性比较高，无论强光照射还是常规的温差变化，都不会对它产生的颜色造成任何影响，同时，它也不会对环境或人体造成化学侵害。

在这项实验中，用结构光绘画《戴珍珠耳环的少女》旨在探索技术的边界，其本质就是要基于微纳结构，对可见光光谱进行一次精准调控，研究人员抱着这样的目的开始了“绘画”研究。

与此前业内的相关研究相比，本研究的最大亮点在于，不但可以产生各类颜色，还能产生明暗强度的变化。产生指定结构色很多科研团队都能做到，但那种情况下，如果用来绘画实际上只能是色块的组合，整幅画里只有颜色区分，没有阴影变化，缺乏生机感和立体感，如果要复现一张油画的画面，用结构色是很难实现的，这便是此项技术研究的门槛所在。

图｜生成全色纳米绘画的电子显微镜图像（来源：徐挺）

操控光线的纳米柱

实验过程的难度跟挑战主要体现在两方面：第一是理论结构设计。一般来看，结构光颜色透过率越高越好，利用率越高越好，但在实际应用场景中，则需要考虑到画面层次分明的细节，需要对某一个特定的颜色强度有精准的调控方式；第二是加工结构阵列，很多纳米柱的尺寸非常小，一般只有几十到几百个纳米。

徐挺补充说：“从原理看，我们目前用结构光做一幅大的图像完全没问题，但做大反而不能呈现出我们的优势，我们现在能在毫米甚至亚毫米尺度，把这幅画作的细节完全展现出来，没有任何细节丢失，这才是我们的优势。”

第一步就是选择材料制作基底和纳米柱。徐挺介绍，基底载玻片选择的材料是二氧化硅，该材料对整个可见光频段的透光率都非常高，而纳米柱选用的材料则是二氧化钛，该材料对可见光没有太多吸收且折射率比较高，利于对光场的调控。

这幅画的微结构包含很多复杂的光学原理设计，简单概括，就是把二氧化钛纳米柱加工成不同的椭圆形状和排列，让它们因为共振效应选择性输出红色、绿色和蓝色三原色，类似于显示屏中的像素。

然后通过改变这些椭圆形纳米柱的转角，让它们对于入射的偏振光起到偏振方向旋转的作用，这不会影响它们的出射光强度，却能把三原色投射在指定区域组合成指定的颜色。最后，研究人员在载玻片的背面放置了一个特殊的偏光滤镜，来调节光线输出的强度。如此，不但能实现各种颜色，而且每一个颜色的明暗都能得到控制。

在微结构加工过程中，研究人员采用原子层沉积技术和电子束光刻技术来实现。即首先在载玻片上沉积一层仅数百纳米厚的超薄聚合物，然后使用电子束光刻，在聚合物中开挖了数百万个尺寸和方向不同的小孔，利用原子层沉积技术，用二氧化钛回填这些孔洞，最终，团队清除掉孔周围的所有聚合物，留下了数百万个纳米级的二氧化钛柱，这些纳米柱对光线的转化清晰地复制了《戴珍珠耳环的女孩》，甚至捕获了画布上的纹理细节。

图｜徐挺带领的微纳光学研究团队（来源：徐挺）

用光绘画有什么用？

由于设计制作过程的精密度和复杂度，徐挺表示，完成这项实验投入的制作成本相对来说还是比较高的，但如果想投入大规模产业应用，把第一个模板设计雕刻好之后，可以通过复制的方式，比如纳米压印的方法，来复制这些图形结构，以降低生产成本。

想必很多人读到这里都比较好奇，费了这么大劲整一幅画到底有什么用处？

徐挺表示，首先这是一种特殊的加密信息存储方式，可以通过控制光的不同波长输出和投射转化，把图像或文字存储到一个玻璃片上，由于每一个像素都是纳米级的，保存的信息会非常丰富。

其次，实验需要通过特殊偏光滤镜调节才能展现出一张清晰漂亮的画，如果把这个滤镜拿掉，那呈现出来的图案是完全不一样的，且由于这个微纳结构的原始设计和制作相当复杂，很难去仿造，在一定程度上，该技术可以用来做高价值物品的防伪，给某些物品编码图像和文字，这个“防伪”标识只有通过一些特殊手段，才能看到它真实的样貌。

而最广泛的应用，可能是帮助产业提升对结构色更为精细化的操控能力。结构色的物理稳定性和化学稳定性都比传统化学颜料高，风吹日晒永不褪色，可以用来做一些装饰类应用。

实际上，当前主流的消费电子产品已经用到了相关技术，很多旗舰手机的背板开始采用那种流光溢彩的颜色，原理就是采用了一些微结构调光的技术，以此来呈现绚丽的颜色；而如果能做到纳米级，那么对光的调控维度就更大，能实现更细致和独特的效果，进一步提升产品的差异化和美感。

徐挺的下一个计划，是让用光绘画由静变动。主流的显示技术基本上都是动态的，但微纳结构本身受限于固定的材料结构，如何实现动态仍在进一步研究当中。

他设想，将来通过一些辅助设备对光的角度和强度调节，有望实现在同一个结构上，稍加调整就能展现出另一副油画，图像可以动态切换过去，而不像现在这样只能固定投射出一幅画。