防伪标志使用的全息薄膜，竟可合成大自然的“结构色”

　　大自然为生物赋予了各种各样的色彩，除了常见的赤橙黄绿青蓝紫外，还有反光效果很好的金属色等等。有趣的是，一些生物身上的颜色也能像金属那样闪闪发光，在不同光线下颜色甚至还会有变化。实际上，大自然很多色彩由色素产生，但也有一部分色彩是利用光学效应形成的，比如蝴蝶翅膀的鳞片、鸟的羽毛、甲壳虫外壳，它们的颜色并非来自色素，而是由结构色形成。

　　近期，MIT机械工程学院研究生Benjamin Miller从大自然的结构色获得灵感，利用弹性的全息薄膜打造了一种色彩鲜艳、拉伸时可变色的显示和印刷方案。据称，这是首个低成本、可库欧战的结构色合成技术，可应用于医疗、军事、AR/VR等多种场景。

　　灵感来自结构色

　　结构色是一种自然现象，它不是通过色素来直接显示颜色，而是通过光波在自然材质上发生折射、漫反射、衍射、干涉而产生颜色，这种现象通常出现在蝴蝶鳞片、鸟类羽毛、甲虫鞘翅、海洋动物的壳上，外观看起来可能具有金属光泽、闪光等特性。

　　不同于固定的色素，结构色通常是动态的，可变色，而且色彩鲜艳、饱和度高、永不退色。由于基于倾斜和分层的纳米结构，结构色可以像微型的彩色镜面、布拉格反射器那样反射光线。而在变形时，其纳米结构的密度也在发生变化，进而控制光波的反射，实现色彩变化(比如从红色变为蓝色)。

　　19世纪末期，法国物理学家Gabriel Lippmann利用结构色原理，发明了彩色照相干涉法，这种方法无需染料，而是利用不同波长的天然颜色还原黑白照片的原始色彩。Lippmann合成结构色的方法比较复杂，需要利用蛋白工艺在镜面上覆盖超精细的感光乳剂，经过干燥后再经过银浴等步骤，再暴露在光束下，之后感光乳剂重新配置结构，反射出光束的图案和波长。这个工艺流程费时费力，尤其是曝光部分需要好几天。

　　简化结构色合成工艺

　　此前，各种供科研人员曾尝试在不同的材料中复制结构色，但问题是仅制造出小规模的样品，扩大结构色规模会降低光学精度。后来，MIT机械工程学院研究生Benjamin Miller从全息技术上取得了灵感，他表示：全息技术通过将两束光线叠加在物理材料上，来实现3D图像显示，这和大自然形成结构色的过程几乎一样。

　　类似于Lippmann的乳剂，全息材料也是感光材料，可记录并反射光线，常见于防伪标志、护照上的全息防伪膜。当前，全息材料已做到足够灵敏，使用市面有售的投影仪就能实现上色，只需要几分钟。

　　Miller的方案比Lippmann的彩色照相法更简单，首先将全息薄膜黏在镜子、钢板等反光表面上，然后使用桌面投影仪将数字图像照射在上面。结果就是，在全息薄膜上形成了一种纳米结构，将全系薄膜取下并叠加在黑色硅胶背板或织物上后，就形成了结构色材料。简单来讲，就是打造了一种可拉伸的弹性全息图。

　　多样的应用场景

　　为了验证方案效果，科研人员只做了一个8x6英寸的柔性薄膜，上面印有复杂的花束图案，当你拉伸薄膜时，花束的色调会从暖色变为冷色。除此之外，这项技术还可以转印草莓、硬币、手指等物体的表面纹理。薄膜上的红色在受到压力后，会开始变绿甚至变蓝，可敏感的反应压力变化。

　　由于全息薄膜具有弹性，这项技术可以很容易与织物融合，用来制造泳衣、紧身衣。结构色通常属于多层微孔结构，支持液体、气体在其内部循环。如果应用于可穿戴设备，也可以做到透气和保温效果。

　　此外，还可以用来制作加压绷带，可通过色彩变化来反应压力，帮助医护人员、病人更好的控制绷带的松紧度。更多潜在应用场景包括：触感机器人、头盔显示器、隐身和伪装(军事场景)、3D成像、AR/VR、可穿戴设备、光信息处理等领域。

　　有趣的是，利用弹性结构色薄膜的特性，还可以在其中隐藏图像，当薄膜被拉伸时，原本不可见的图像会变成肉眼可见的红色。因此，还可以利用这一点来编辑隐藏的信息。

　　总体而言，该团队的技术是第一个能够对详细的结构彩色材料进行大规模投影的技术，创造出了一种简单但非常有效的方法来生产大面积光子结构。科研人员表示：这项技术可能会改变涂料和包装以及可穿戴设备的游戏规则。参考：MIT