我想要五彩斑斕的黑色。這條來自甲方爸爸的需求，是近兩年設計圈流傳的一個梗。此前，美國單車品牌SPECIALIZED（閃電）的設計師在為世界冠軍設計專屬自行車時，就按客戶需求把代表世界冠軍的彩虹元素用在主體為黑色的車身上。

在陽光下，車身黑色噴漆之下的亮片經過陽光反射，也算是達到了所謂“五彩斑斕的黑”的效果。

不過，一組來自伯明翰大學物理與天文學院、慕尼黑大學物理學系、倫敦帝國理工學院物理系、南京大學現代工程與應用科學學院、固體微結構物理國家重點實驗室、微結構科學與技術協同創新中心以及南京郵電大學電子光學工程學院、微電子學院的研究團隊近日設計了一個由無序的等離子體納米糰簇構成的光學系統，可在黑色中提取出各種顏色，力證黑色真的可以是五彩斑斕的。

當地時間2020 年3 月24 日，該團隊題為Manipulating disordered plasmonic systems by external cavity with transition from broadband absorption to reconfigurable reflection（從寬帶吸收到可重構反射的外腔操縱無序等離子體系統）的論文在線發表於《自然通訊》（Nature Communications）。

自然界普遍存在的無序生物結構

這一研究的靈感源於自然界中普遍存在的、具有寬帶光響應和對擾動的魯棒性的無序生物結構（disordered biostructures）。

物體表面的納米尺度結構對光進行反射，便產生了各種顏色。

不過，如果物體表面在納米尺度的結構處於無序狀態，光要么被完全吸收，要么被完全反射，也就呈現出黑色或白色。

在自然界中，一種叫做白金龜的甲蟲擁有白色的鱗片，英國物理學家曾受白金龜的啟發，研製出了一種新型超白紙張。採用相似的思路，還可能製造出像紙一樣白的超稀塗料，或可用於改進書寫用紙、人類牙齒的顏色，甚至提高發光體和顯示器的亮度。

此外，表面呈現黑白條紋的魷魚、黑色羽毛的極樂鳥，這些讓世界變得更多元、奇妙的現象，其實都是無序結構的影響。

實際上，隨著納米光子學和納米製造技術的發展，無序納米結構因其獨特特性——非常規的強度統計、寬帶傳輸增強、理想聚焦、寬帶光阱和寬帶能量收集——被應用於不同的光學系統中，旨在進行光定位、光子傳輸和能量收集等。不過，具有寬帶光響應的無序系統的可調性卻鮮有研究。

由等離子體納米糰簇組成的無序光學系統

基於此，研究團隊實現了對無序等離子系統的操控，通過對外腔耦合的確定性控制，實現了從寬帶吸收到可調諧反射的轉變。

下圖是無序等離子系統的三維全波模擬示意圖。

具體來講，研究團隊從廣義模型出發，設計了由無序的等離子體納米糰簇組成的光學系統，或作為寬帶吸收體，或在可見光區具有可重新配置的反射帶。

如下圖所示，納米糰簇主要是由大小不一的銀（Ag）納米粒子無序排列而成，位於一層由氟化鋰（LiF）製成的介電材料之上，氟化鋰下置一層銀鏡（Ag mirror）。

這一結構中有個最重要的部分，即被稱為LiF spacer 的透明腔體。由氟化鋰之間的空隙形成的透明腔體不會耗散光，光子在其中以不同的頻率共振，根據不同波長釋放出各種顏色。

研究人員將腔體的厚度設定為沿著對角線線性增加，從而使得該系統的光響應從大於90% 的可見光寬帶吸收，變成根據不同波長進行的不同反射（反射波長在400nm 至750nm之間）。

通俗來講就是，科研人員通過改變腔體厚度，改變了光響應模式，進而實現了文章開頭所說的“五彩斑斕的黑”。

下圖是納米糰簇結構呈現出的圖像，經過黑色過渡後，沿著對角線從黑色開始呈現出多種色彩。

對齊白石畫作進行色彩重現

那麼，這種聽著很玄乎的系統，有實用性嗎？

實際上，研究團隊為驗證該系統的可行性，印刷了齊白石的水彩畫《牡丹》（下圖左為數碼複製品），可以看出，其作品中主要包含幾種很常見的顏色，如紅色、粉紅色、黃色、綠色及黑色。研究人員表示，只需簡單地調整透明腔體的厚度，就能以極高的色彩精度重現原作（下圖右）。

可見，這一成果的意義不僅體現在進一步理解物理意義上的無序，也為各種實際應用（例如結構顏色圖案化）提供了新思路，正如研究團隊表示：

在物理學上，我們習慣於認為納米加工中的無序不好，但在這裡我們證明了，在某些特定情景中，無序結構可以優於有序結構。我們設計的無序系統還可用於其他物理領域，比如新型傳感技術。