许多人认为画家的主要工具是画笔，画架和调色板。但是，这些只是使用真正的工具-颜色的方法。我们的世界充满了从火红到冰霜蓝的各种颜色。物体的颜色和生物的颜色是许多物理和/或化学过程的结果。考虑到颜色的多样性，有时很难理解其起源机制的差异。剑桥大学的科学家决定找出为什么取决于表面的纳米级结构而不取决于化学颜料的结构颜色不是红色，而是蓝色或更少的绿色。这种颜色限制的秘密是什么？您如何准确地确定真相？科学家的报告将帮助我们阐明这些问题。走。
研究依据
自然界中结构花的例子：A-三叶木槿（Hibiscus trionum）；B-他摩mus甲虫（Chrysochroa fulgidissima）; C -Morpho rhetenor物种的蝴蝶；D-普通蚊子（Culex pipiens）；E-海鼠（Aphrodita aculeata）；F-甲虫Pachyrhynchus argus的甲虫；G -Parides sesostris物种的蝴蝶
结构颜色是光干扰的结果，光被纳米级非吸收性表面元素散射。这是比化学过程更物理的过程，就像色素沉着的情况一样，其中颜色取决于沿波长的选择性吸收。
结构色相对于颜料色具有许多优势：
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图像№1
考虑到结构色的积极特性，已开发出许多用于娱乐的技术，或者更确切地说，是用于创建层次结构或具有与角度无关的颜色的短距离有序结构的技术。这些发展的结果是光子玻璃（用于光子玻璃的PG ），其生物学等同于许多鸟类的羽毛（如上图所示）。
细微差别是，在自然界中，结构颜色只是蓝色阴影。红色和绿色通常具有远距离结构或色素沉着。当然，有创造人造结构红色色调的技术。但是，正如这项工作的作者所声称的，这种颜色的材料的光学性能非常差。
出现了问题-原则上是否有可能创造出成熟的结构红色？为了回答这个问题，科学家决定使用一种数值方法，该方法可直接访问任意结构的反射光谱，并允许研究中间散射模式，即在单个散射和扩散行为之间。
研究成果
首先，使用数值算法，创建了具有不同散射特性和结构相关性（结构因子*）的光子玻璃变体（正向和反向）。
结构因子*是材料如何散射入射辐射的数学描述。接下来，在时域中使用有限差分法计算生成的结构的光学特性。所创建的模型被故意限制在二维空间中，因为这种结构最常在自然界中找到（上图）。着眼于二维结构还可以使您扩大研究参数的范围，同时限制计算成本。尽管如此，科学家们相信所获得的结果可以用于描述三维结构。
如果没有吸收，则光子玻璃中的散射是由于单个颗粒的特性（尺寸，形状和折射率）之间的相互作用或一组颗粒的特性之间的相互作用（填充率和结构相关性）而发生的。
2号图像
在直接PG的情况下，反射由散射体（2A）的特性决定的Mie *共振主导。因此，通过改变漫射器的尺寸，可以将反射的颜色改变为可见的。
Mie共振* -在某些波长下，球形粒子散射的辐射强度的增加与粒子的大小相当（以Gustav Mie，1868-1957年命名）。但是，随着粒径的增加，米氏共振峰移向红色侧，并且第二峰出现在光谱的蓝色部分中，这对应于更高阶的共振模式。但是在逆PG的光散射中，结构相关性（2B）占了上风。反射峰的位置与布拉格定律*的预测高度吻合，比直接结构更明显。
布拉格衍射*是在特定入射角和波长下，周期性散射体上的波强烈散射的现象。可见光谱中单个峰的出现表明，使用反向PG是一种有效的策略，可最大限度地减小系统总体光学响应中的形状因数，从而有利于结构贡献。
布拉格定律公式：nλ= 2d·sinθ，其中d是晶格周期；θ是波的入射角；λ是辐射波长；n是波数。
各向同性结构颜色分别取决于直接（顶部）PG和反向（底部）PG的折射率。
改变折射率会影响形状和结构贡献之间的关系。具有高折射率的系统主要受形状因数共振的影响，这会阻止它们在直型和反型PG的光谱红色区域获得良好的色纯度。对于直接系统，即使折射率对比度较低，形状因数共振也会导致结构峰的短波侧反射增强。相反，在反向PG的情况下，可以看出，即使在波长的红色区域中，结构因子在可见光谱中也形成了分离良好的峰。
由此得出结论，低折射率的反向PG在颜色纯度和饱和度方面可以胜过直型PG。
图片编号3
散射矩阵（n m）和散射中心（n p）之间的折射率对比度的降低可进一步有助于结构。图3A显示，np的增加导致反射系数的宽带降低和结构峰的红移。与背景相比，结构峰的宽度减小并且强度更高，从而导致更好的颜色纯度。
折射率对比度的降低降低了多重散射的作用，多重散射以一种或另一种方式存在于无序系统中。这将各向同性的结构颜色限制在扩散散射*和弹道转移*之间的光传播模式。
漫散射* -由材料结构与完全规则的晶格结构的任何偏差引起的散射。
弹道转移*是材料中相对较大距离上的载流子（通常是电子）或载有能量的粒子不受阻碍的流动。随着样品厚度的增加，多重散射成为主要因素，从而导致宽带不饱和响应。
相应的观察结果也可以应用于具有复杂几何形状的散射体。正如科学家们所澄清的那样，他们之前的工作提出了使用核-壳*粒子来分离形状因子和结构因子的贡献并在光谱的长波长区域中获得单独峰的想法。
-* — , , .图3B显示，在保持结构相关长度的同时减小散射中心（核）的大小会增加长波长（结构）峰的强度和宽度。同时，米氏共振的短波贡献朝着紫外线移动。
在3A中显示出较低的折射率对比可以抑制多重散射，而贡献形成分离因子并且通过核-壳颗粒（3B）可以实现结构因子。
两种方法的组合显示在3C中。由于可见光谱的长波部分中的峰分离良好，因此可以实现更高的纯度和色彩饱和度值。
在研究的下一阶段，科学家将注意力转移到评估颜色的饱和度和纯度上。为了量化这些参数，将直接，反向PG和壳核的反射光谱转换为阴影。色纯度可以定义为从色度图上的白点到红点（在红色的情况下）的归一化距离。饱和度可量化反射光的强度在不同波长的光谱范围内分布的程度。
图像＃4
在4A处，在CIE XYZ颜色空间图上绘制了各种用于红色阴影的系统。在4B处，计算出相应的纯度和饱和度值。
值得注意的是，所有反向PG都比纯正PG的红色显示更高的颜色纯度和饱和度值。但是，在粒子系统中包含核-壳粒子不会比标准逆向PG产生明显改善。如果同时使用这两种方法，则可以获得更高的纯度和饱和度。但是，它们将比真实红色（即，根据KZS模型-红色，绿色，蓝色）要低得多。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他补充材料。
结语
在这项工作中，科学家能够证明光子玻璃在获得丰富的红色色调方面存在内部限制。这是由于结构因素引起的共振，形状因素引起的散射和多重散射背景之间的相互作用。像这样的粉底可以轻松实现UV-blue范围内的结构颜色，但不能在更长的波长下实现。
还已经证明，即使在复杂的扩散体形态下，在各向同性的短程有序结构中也无法实现红色的高纯度和色彩饱和度。
根据科学家的说法，这些观察结果可能表明（被喻为大自然）自然界被迫创造出形成红色阴影的替代方式（例如，多层或菱形结构）。
组合几种方法来创建结构性红色色调可以提高清晰度和饱和度，但是它们仍然不足以实现真实红色。
还已经发现，由于单次和多次散射之间的复杂相互作用，除红色外，就结构颜色而言也难以获得黄色和橙色。
这样的研究可以更好地理解结构色，并开发出新的方法来创建可以用作天然结构色中没有的阴影基础的材料。该研究的作者说，新型的纳米结构（例如，网络或多层层次结构）可以帮助实现这一目标。
尽管如此，将来结构色的工作仍将继续。研究纳米级结构的现代方法及其重构方法可以更详细地描述材料中发生的过程，这自然有助于实现对这些过程的控制。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您一周工作愉快。:)
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