用光的真实感绘画：纳米柱精确控制透射光的颜色和强度

插图描绘了约翰内斯·维米尔（Johannes Vermeer）的“戴珍珠耳环的女孩”的真实复制品，其中使用了数百万个控制入射光的颜色和强度的纳米柱。

该方法在改进光通信和使货币更难伪造方面具有潜在的应用。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员及其合作者通过在散布有数百万个微小的二氧化钛柱子的载玻片上发出白光，以惊人的保真度再现了“戴珍珠耳环的女孩”的发光色调和微妙的阴影。 ，是荷兰艺术家约翰内斯·维米尔（Johannes Vermeer）的杰作。该方法在改进光通信和使货币更难伪造方面具有潜在的应用。

例如，通过增加或减少在光纤中传播的特定颜色或波长的光，科学家可以控制光纤携带的信息量。通过改变强度，研究人员可以保持光信号在光纤中长距离传播时的亮度。该方法还可以用于“绘画”具有细小但复杂的颜色细节的纸币，从而使伪造者很难伪造。

其他科学家以前曾使用大小不同的微小柱子或纳米柱在白光照射下捕获并发出特定颜色。纳米柱的宽度大约为600纳米高，或小于人发直径的一百分之一，决定了柱子捕获和发射的光的特定颜色。为了对这种技术进行苛刻的测试，研究人员检查了纳米柱如何很好地再现了像维米尔（Vermeer）这样的绘画的色彩。

剩下：用于生成全色纳米绘画图像的示意图。插图显示了组成的二氧化钛纳米柱和制造的纳米柱的扫描电子显微镜图像。错误的阴影表示纳米柱产生的原色。比例尺：500纳米对：在白光照射下生成的“戴珍珠耳环的女孩”的实验彩色图像。比例尺：50公μ尺。

尽管数个研究小组已经成功地安排了数百万个纳米柱，它们的大小可以调整以透射红色，绿色或蓝色的光，以创建特定的输出颜色调色板，但科学家们无法控制这些颜色的强度。颜色的强度或亮度决定了图像的明暗（即明暗对比），并增强了传达透视和深度印象的能力，这是威猛（Vermeer）作品的标志性特征。

现在，通过制造不仅能捕获并发出特定颜色的光而且还能不同程度地改变其偏振的纳米柱，来自中国南京大学的NIST研究人员及其合作伙伴首次展示了一种控制颜色和强度的方法。研究人员包括NIST的Amit Agrawal和Zhu Wenqi Zhu和大学公园的马里兰大学，以及NIST的Henri Lezec，他们在9月20日的Optica杂志上描述了他们的发现。

在他们的新工作中，NIST团队在载玻片上制造了具有椭圆形横截面而不是圆形横截面的纳米二氧化钛纳米柱。圆形物体具有单个均匀的直径，但是椭圆形物体具有长轴和短轴。

研究人员设计了纳米柱，使它们的长轴在不同位置与入射白光的偏振方向更加一致或更少一致。（极化光是指电场在穿越太空时沿特定方向振动的光。）如果纳米柱的长轴与入射光的偏振方向完全对齐，则透射光的偏振不受影响。但是，如果长轴相对于入射光的偏振方向旋转了某个角度（例如20度），则纳米柱将入射光的偏振旋转了该角度的两倍（在这种情况下为40度）。

在载玻片上的每个位置，纳米柱的方向将其透射的红色，绿色或蓝色光的偏振旋转了特定数量。

本身，每个纳米柱所施加的旋转不会以任何方式改变透射光的强度。但是，在载玻片背面放置了一个特殊的偏光滤镜后，该团队实现了这一目标。

滤光片的方向使它可以防止任何保留了其原始偏振的光通过。（太阳镜的工作方式大致相同：透镜充当垂直偏振滤光镜，从而降低了水平偏振眩光的强度。）对于玻璃载玻片上任何保留纳米柱的地方，入射光的偏振都不会改变。这样的区域将投射为远处屏幕上的暗点。

在纳米柱旋转了入射白光偏振的地方，滤光片允许一定量的红色，绿色或蓝色光通过。数量取决于旋转角度；角度越大，透射光的强度越大。通过这种方式，团队首次控制了色彩和亮度。

NIST的研究人员演示了基本设计后，便创建了大约1毫米长的威猛（Vermeer）绘画微型版本的数字副本。然后，他们使用数字信息指导数百万个纳米柱的矩阵的制造。研究人员通过一组五个纳米柱（一个红色，两个绿色和两个蓝色）以与入射光成特定角度的取向来表示威猛（Vermeer）每个像素或像素的颜色和强度。研究人员检查了该团队通过使纳米柱上发出白光而形成的毫米大小的图像，发现他们以极其清晰的方式复制了“戴珍珠耳环的女孩”，甚至捕捉了画布上的油漆纹理。

NIST的研究人员和研究合著者Agrawal表示：“复制的质量捕捉了微妙的色彩渐变和阴影细节，简直令人赞叹。”“这项工作非常优雅地架起了艺术和纳米技术领域的桥梁。”

为了构造纳米柱，Agrawal和他的同事首先在玻璃上沉积了一层仅数百纳米厚的超薄聚合物。然后使用像微型钻一样的电子束，在聚合物中开挖了数百万个尺寸和方向不同的细孔阵列。

然后，他们使用称为原子层沉积的技术，用二氧化钛回填这些孔。最后，研究小组蚀刻掉了孔周围的所有聚合物，留下了数百万个细小的二氧化钛柱。每个纳米柱的尺寸和方向分别表示最终毫米级图像的色相和亮度。

纳米柱技术可以轻松地适应于以特定强度传输特定颜色的光，以通过光纤传达信息，或以难以复制的微型多色识别标记印制有价值的物品。

参考：霍鹏程，宋茂文，朱文琦，张成，陈璐，Henri J. Lezec，陆延青，阿米特·阿格拉劳和许婷，“由低损耗的亚表面实现的逼真的全色纳米绘画”，2020年9月4日，Optica。 DOI：
10.1364 / OPTICA.403092