Nature Materials:纳米微观界面与宏观视觉特性

一、【导读】

生活世界中的许多美丽外观都是由微结构或纳米结构材料中的光波干涉产生的。从大自然中汲取灵感，科学家通过人造材料获得了各种各样的虹彩和漫射结构颜色。其中“光学超表面”受到了研究者的广泛青睐，研究者通过将高折射率共振散射体精心设计在基板上来制备光学超表面，并且可以获得惊人的光学特性。尽管目前超表面可以用于实现高分辨率显示器的超薄多色表面。然而，要将纳米尺度的光学特性与宏观尺度的外观属性联系起来仍然是个巨大的挑战，这限制了光学超表面在外观设计方面的潜力。事实上，视觉外观不仅仅只考虑颜色的影响，物体的光泽度和雾度对外观设计一样重要。此外，物体的外观还取决于宏观形状，以及照明和观看条件。以上这些方面在以前的光学超表面研究中都没有被充分考虑到，并且大多数关于自然和人造结构颜色的工作中都没有得到完全的研究。

二、【成果掠影】

近日，法国波尔多大学的研究人员在Nature Materials上发表了一篇题目为“The visual appearances of disordered optical metasurfaces”的研究论文。该论文展示了如何通过人为设计无序光学超表面中的亚波长尺度干涉来创造令人不同的视觉外观效果。作者构建了一个纳米尺度的共振散射、中尺度的多重散射和宏观尺度的光传输组合成一个多尺度光学建模平台，用来揭示纳米结构特征如何转化为不同的视觉效果。该模型可以用于预测和渲染现实环境中被超表面覆盖的宏观物体，并展示如何使用纳米级共振和中尺度干涉来对反射光光谱和角度进行调整，从而在获得宏观尺度上不寻常的视觉效果。此外，作者还通过肉眼可观察到的宏观物体与真实合成图像进行了相互验证。该模型框架为美术和应用视觉艺术等许多分支开辟了全新视角。

三、【数据概览】

图1 预测被无序表面纳米粒子覆盖的宏观物体的视觉外观 © 2022 Springer Nature

(a-c) 无序超表面的视觉外观的多尺度性质，与基板界面共振相互作用的单个粒子（c）到相互作用形成集体散射效应的粒子集合（b）到宏观表面，可以经历多次内部反射（a）。

(d-g) 使用我们的多尺度建模平台获得的合成图像，在真实的照明环境中的宏观物体。d车身由非结构化的有色玻璃制成，这导致了纯粹的镜面和主要黑色的外观。e车由同一表面被半径r  = 90 nm 的 Ag 粒子覆盖，分布在随机位置。粒子的散射减少了镜面反射并产生了漫反射的、几乎各向同性的灰色外观。f车中控制粒子位置的结构相关性导致出现惊人的新外观。在g车中，通过采用结构化衬底大大丰富了观察到的漫反射颜色。

图2 单个粒子的工程 © 2022 Springer Nature

(a) 球形硅颗粒随机放置在玻璃基板上。

(b) 在表面覆盖率f = 0.1 下， BRDF 模型预测的粒子半径r  = 60 和 95 nm 的超表面的漫反射（顶部）和镜面（底部）反射率的光谱 。正如预期的那样，改变粒径会改变粒子共振。漫反射和镜面反射的光谱明显不同。

(c) 漫反射（顶部）和镜面反射（底部）反射颜色。漫射光的颜色主要取决于单个粒子的光谱，而镜面光的颜色要丰富得多，这是由于粒子单层中的平均场经历了薄膜干涉。

(d, e) 宏观球形的渲染图像，由具有不同半径的球形粒子制成的超表面覆盖，60 nm ( d ) 和 95 nm ( e )，分解为f  = 0.1 的漫反射项和镜面反射项。

图3 分层基板的工程 © 2022 Springer Nature

(a) Ag颗粒沉积在氧化硅介电薄膜上。粒子散射的光与介电层多次反射的光之间的干涉产生了尖锐的光谱和角度特征。

(b) 半径r  = 90 nm的单个 Ag 粒子在 SiO₂ /Si 衬底上的背向散射效率光谱。

(c) 粒子在 440 nm 波长处的散射图。随着介电层厚度的增加开始出现角度特征。

(d) h  = 600 nm时的三维角度特征图。

(e) 由Ag 粒子制成的超表面渲染图像，随着层厚度的增加，出现了漫反射颜色。

(f)  对于不同的视点和光源位置， h = 600 nm 的形状渲染图像。

图4 结构相关性工程 © 2022 Springer Nature

(a) 两个不同程度的结构相关性的空间点模式示例。

(b) 对应的结构因子作为平行散射波矢量和最小粒子间距离的函数关系。结构相关性取决于波长和入射角。

(c) 上半球结构因子的视图，相关度增加。强相关系统在被尖锐角瓣包围的镜面反射附近表现出抑制的漫反射强度。

(d) 不同结构因子的球形渲染图像，Ag 粒子半径为90 nm。

(e) 在强相关系统的情况下，不同的视点和光源位置形状的渲染图像。

图5 由于短程结构相关性导致的漫射晕的实验演示 © 2022 Springer Nature

(a) 在显微镜物镜旁边制造的厘米级超表面照片。漫射颜色的不同是由于用于制造两个样品的负抗蚀剂在两个月的时间间隔内进行老化处理。

(b, c) 相应的扫描电子显微镜显微照片。

(d) 不同光照和视角下超表面的照片序列。光源是太阳模拟器的准直光束。正如预测的那样，弱相关的超表面（p = 0.1，顶部）表现出几乎均匀的漫反射颜色，与照明角度无关，而强相关的超表面（p  = 0.5，底部）导致漫反射晕，其特征在于遵循镜面反射方向的更暗和更亮的区域（白色箭）。

四、【成果启示】

视觉外观是一个比单独的颜色更广泛和更强大的概念。论文结果实现了关于如何使用纳米尺度和中尺度的散射来控制宏观尺度的视觉外观的基本进展。通过分层基底或设计粒子无序之间的相互作用会导致无数不同的镜面反射和漫反射效果，并增强在观察或照明方向变化时所感知到的动态效果，这是传统材料中没有的。这些概念可以进一步推广到透射超表面，它可以作为窗户和显示器上的新型涂层，为增强现实应用提供新的功能。

文献链接：The visual appearances of disordered optical metasurfaces, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01255-9.