人工微纳米结构色的多彩世界

导 读

自从Leeuwenhoek发现了生物的微观结构，人类对于微纳结构的探索就从未停止。当结构的尺寸缩小到与可见光波长相当的微纳米级别，微结构与可见光波便可发生相互作用，从而形成绚丽多彩的颜色。相比传统的着色染料或涂料，微结构产生的颜色具有非常多的优良性质，例如高分辨率、高稳定性、环保等。这引发了科学家们极大的研究兴趣。近十几年来，研究人员不断探索出新型的微纳结构，以实现功能更多、应用更广、成本更低的结构色（图2）。

多层薄膜是我们最常见的一种结构，入射光在多层薄膜中产生干涉，不同波长的光由于干涉程度不同，从而形成绚丽的色彩，如生活中透明的肥皂泡在阳光下呈现出多彩的颜色。研究者使用薄膜沉积技术镀制多层薄膜结构，并通过改变薄膜的厚度来实现对颜色的调控（图3A）。有些多层膜结构本身就具备除了颜色调控之外的其他功能，如太阳能光热转化功能（图3B、C），使常规灰黑或深蓝色的高性能太阳能光热吸收器拥有更丰富的颜色选择，可应用在建筑节能和装饰等领域。

基于Fabry-Perot（F-P）光学微腔型结构色也展现出了极大的应用潜力。这种金属-介质-金属（MIM）结构在颜色调控、色彩饱和度上具有优势，通过改变介质层的厚度便可调控结构的光谱吸收/反射峰位（图4A、B），从而获得丰富多彩的颜色。结合微纳加工技术，可将不同的F-P微腔按照图像颜色需求进行排列，获得高分辨率的微纳尺度结构色图像，如呈现经典油画作品向日葵（图4C）。

而随着微纳加工技术的日益精进，金属超表面结构与入射光的等离激元效应、导模谐振效应也已被广泛的研究和应用。通过设计可使微纳结构在产生颜色的同时具有伪装、防伪、信息加密、信息存储等功能。例如，非对称十字形的金属超表面结构可对不同偏振光有不同的响应，利用这种效应制备的微纳结构可在单个像素单元内同时存储两种光谱信息（图5A）。光栅型导模谐振结构也可通过调节光栅的结构参数获得不同的光谱（图5B）。同时，光栅结构对TM与TE偏振光具有不同光谱响应，而等离激元超表面结构也可实现从黑色到彩色的颜色调控（图5C）。

常规的微纳结构参数在制备完成后是不可改变的，这限制了结构色在动态成像、动态显示等领域的应用。因此，研究者们将微纳结构与液晶、电化学、机械拉伸、热感应薄膜等技术相结合，实现了对结构色的实时动态调控。例如与传感器相结合制备出的仿生变色龙，可根据背景颜色来实时调控自身的色彩（图6B），使其与背景的颜色一致，达到实时伪装的效果。

本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第二卷第一期发表的Review文章“Artificial Structural Colors and Applications” (投稿: 2020-08-08；接收: 2020-11-15；在线刊出:2021-01-18)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100081

引用格式：Xuan Z., Li J., Liu Q et al. Artificial Structural Colors and Applications. The Innovation. 2(1), 100081.