为什么所有波长的散射相等时,有时呈漫射白色,有时却呈饱和的结构色?

为什么不同波长的散射相等时,有时看起来是白色,有时却呈现饱和的结构色?这取决于有序程度、角度和宽带反射。

直接答案

当散射结构无序且足够密集,能在整个光谱范围内广泛反射、且没有占主导的干涉峰时,所有可见波长的散射相等就会产生漫射白色。相比之下,饱和的结构色来自有序或准有序的纳米结构,它们通过相长干涉选择性地增强某些波长,因此同一种材料在一种排列下可能呈白色,在另一种排列下则呈鲜艳的颜色[1][3]。

4篇文献引用

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无序结构宽谱散射,有序结构挑选颜色

在自然界中,结构白色通常来自无序、密集的散射体集合,它们在整个可见光范围内均匀地散射光[3]。豆娘的实例直接说明了这一点:蜡质丝状物通过对各波长进行宽带散射,形成漫射的白色斑块,而不是斑块边缘处薄膜干涉所产生的那种随角度变化的色调偏移[1]。这种白色不是色素,而是大量随机取向的散射单元在几何上造成的结果。

有序纳米结构的表现则不同。它们通过相长干涉和相消干涉增强某些波长、抵消另一些波长,从而产生饱和的色调。这就造成了一种结构上的不相容:产生鲜艳色彩的那种有序结构,本身并不天然适合产生均匀的白色,这也是为什么在一个动态结构系统中同时组合白色、黑色和鲜艳色调会是一项设计挑战[3]。

准有序结构能产生不随角度变化的颜色,却不会变成白色

鸟类羽枝展示了一种中间情形。它们的纳米结构是各向同性的,在光学尺度上只有短程有序,却仍然产生不随角度变化的颜色,而不是白色[4]。在定向光照下,颜色会随照明方向与观察方向之间的夹角而变化,散射峰的角度色散与光在准有序结构内发生单次散射后的相长干涉相符[4]。

在全向光照下,同样的羽毛颜色则不随观察角度变化。这种不随角度变化的特性来自结构的各向同性,而不是来自强背散射[4]。因此,准有序结构可以抑制周期性结构那种随角度变化的闪光,同时仍然挑选出某种色调——在所有方向上散射相等,并不等于在所有波长上散射相等。

漫射白色基底能让多层结构变成不随角度变化的颜色

白色水泥上的光子多层结构展示了漫反射体如何与干涉相互作用。白色水泥表现为高度漫反射体,它产生的漫反射背散射与多层结构经角度平均后的干涉响应相结合[2]。结果是一种漫射的、不随角度变化的颜色,并具有很高的宽带反射率,而不是饱和的虹彩色调[2]。

这与豆娘和鸟类的情形形成了有用的对照:水泥本身并不会变成产生颜色的元素。它进行宽谱散射,而多层结构决定哪个波段被反射、哪个波段被透射;透射的波段随后被水泥漫射散射[2]。当宽带散射体与波长选择性的干涉层彼此分离时,白色和饱和颜色可以在同一个叠层中共存。

同一有序光栅可以在白色和鲜艳颜色之间切换

一个利用纳米光栅内可逆铜电沉积的动态系统表明,有序纳米结构不必被锁定在一种外观上。通过调节铜的厚度,该设计选择性地激活、混合和消除来自光子共振与近等离激元共振的双折射,从而产生蓝色、橙色、白色和黑色[3]。这里的白色不是无序散射体,而是有序光栅在正交偏振反射下的一种状态。

这一结果拓宽了答案:漫射白色通常需要宽带、不随角度变化的散射,但经过精心设计的有序结构也可以通过混合或消除共振来调谐产生白色。实际条件并不只是“无序”,而是结构的响应在角度平均和共振混合之后,在整个可见光谱上是否平坦,而不是在某个色调处出现峰值。

本文引用的文献

1

新热带巨型豆娘的结构色构成性识别与雄性质量的闪光信号

在一种豆娘中,蜡质丝状物通过对各波长进行宽带散射产生漫射的白色区域,而斑块边缘处的薄膜干涉则导致色调随观察角度变化。

2

漫射水泥上的光子多层结构用于不随角度变化的结构色与被动冷却

高度漫射的白色水泥上的光子多层结构,由于水泥对透射波段进行漫反射背散射,产生了一种漫射的、不随角度变化的结构色,并具有很高的宽带反射率。

3

克服动态结构色中白色、黑色与鲜艳色调之间的结构不相容

无序、密集的集合体进行均匀散射会产生结构白色,而这与用于鲜艳色调的有序纳米结构在结构上不相容;纳米光栅中的可逆铜电沉积可以使有序结构在蓝色、橙色、白色和黑色之间切换。

4

鸟类羽毛的准有序结构如何产生不随角度变化的颜色

准有序、各向同性的鸟类羽毛纳米结构在全向光照下产生不随角度变化的颜色,原因在于其各向同性,而不是强背散射;而在定向光照下,颜色仍会随角度变化,这可以用单次散射的相长干涉来解释。