作者:本·普
斯坦，国家标准与技术研究所 插图描绘了约翰内斯·维米尔的“戴着珍珠耳环的女孩”的忠实复制品，使用了数百万个控制入射光的颜色和强度的纳米柱
信用:T
徐/南京大学 国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员和他们的合作者将白光照射在玻璃载玻片上，载玻片上点缀着数百万个微小的二氧化钛柱，他们以惊人的保真度再现了荷兰艺术家约翰内斯·维米尔的杰作“戴着珍珠耳环的女孩”的明亮色调和微妙阴影
这种方法在改善光通信和使货币更难伪造方面有潜在的应用
例如，通过增加或减少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，研究人员可以在光信号在光纤中长距离传播时保持其亮度
这种方法也可以用来“涂”纸币上微小但复杂的颜色细节，伪造者很难伪造这些细节
其他科学家此前曾使用不同大小的微小柱状物或纳米柱状物，在白光照射下捕捉并发出特定的颜色
纳米柱的高度约为600纳米，或小于人类头发直径的百分之一，它的宽度决定了柱捕获和发射的光的特定颜色
为了对这种技术进行严格的测试，研究人员检查了纳米柱复制一幅熟悉的画的颜色的效果，比如维米尔
尽管几个研究小组已经成功地排列了数百万个纳米柱，它们的尺寸被定制为透射红、绿或蓝光，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——明暗对比——并增强了传达透视和深度印象的能力，这是弗米尔作品的标志性特征
现在，NIST的研究人员和他们在中国南京大学的合作者通过制造纳米柱，不仅能捕捉和发射特定颜色的光，还能不同程度地改变光的偏振，首次展示了一种控制颜色和强度的方法
研究人员包括大学帕克分校的阿米特·阿格沃尔和·朱，以及大学的亨利·勒泽克，他们在今天发布在网上的9月20日的《光学》杂志上描述了他们的发现
在他们的新工作中，NIST团队在载玻片上制作了二氧化钛纳米柱，其横截面为椭圆形，而不是圆形
圆形物体具有单一的均匀直径，但椭圆形物体具有长轴和短轴
研究人员设计了纳米柱，使其在不同位置的长轴与入射白光的偏振方向更加一致或不太一致
(偏振光是电场在穿越空间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精确对准，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)，纳米柱就会将入射光的偏振旋转该角度的两倍(在本例中为40度)
在载玻片上的每个位置，纳米柱的取向使它所透射的红、绿或蓝光的偏振旋转特定的量
左:生成全色纳米绘画图像的示意图
插图显示了组成二氧化钛纳米柱和所制造的纳米柱的扫描电子显微镜图像
假彩色阴影表示纳米柱产生的原色
比例尺:500纳米
右图:白光照明下生成的“戴珍珠耳环的女孩”实验彩色图像
比例尺:50微米
信用:T
徐/南京大学 由每个纳米柱赋予的旋转本身不会以任何方式改变透射光的强度
但是，通过在载玻片的背面放置一个特殊的偏振滤光器，该团队实现了这个目标
滤光器被定向成阻止任何保持其原始偏振的光通过
(太阳镜的工作原理大致相同:镜片充当垂直偏振滤光器，降低水平偏振眩光的强度
)对于载玻片上纳米柱未改变入射光偏振的任何地方都是如此
这样的区域会在远处的屏幕上投影成一个黑点
在纳米柱旋转入射白光偏振的地方，滤光器允许一定量的红、绿或蓝光通过
数量取决于旋转角度；角度越大，透射光的强度越大
这样，这个团队第一次同时控制了颜色和亮度
一旦NIST的研究人员展示了基本设计，他们就创造了一个大约1毫米长的微缩版本的维米尔画作的数字拷贝
然后，他们使用数字信息来指导由数百万个纳米柱组成的矩阵的制作
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——来表示维米尔的每个像素的颜色和强度，这些纳米柱与入射光成特定的角度
研究人员检查了该团队通过纳米柱照射白光所创建的毫米级图像，发现它们极其清晰地再现了《戴着珍珠耳环的女孩》，甚至捕捉到了画布上油画的纹理
“再现的质量，捕捉微妙的颜色层次和阴影细节，简直是非凡的，”NIST研究员和研究合著者阿格沃尔说
“这项工作相当优雅地连接了艺术和纳米技术领域
" 为了制造纳米柱，阿格沃尔和他的同事首先在玻璃上沉积了一层只有几百纳米厚的超薄聚合物
他们使用像微型钻头一样的电子束，然后在聚合物中挖掘出数百万个不同尺寸和方向的小孔
然后，使用一种被称为原子层沉积的技术，他们用二氧化钛回填这些洞
最后，研究小组蚀刻掉了孔周围的所有聚合物，留下了数百万个二氧化钛小柱
每个纳米柱的尺寸和方向分别代表最终毫米级图像的色调和亮度
纳米柱技术可以很容易地适用于传输特定颜色、特定强度的光，通过光纤传递信息，或者在贵重物品上压印难以复制的微型多色识别标记
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