美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員及其來自中國(guó)南京大學(xué)的合作團(tuán)隊(duì)通過向散布有數(shù)百萬個(gè)微小二氧化鈦柱的載玻片上照射白光，以驚人的保真度再現(xiàn)了荷蘭藝術(shù)家約翰內(nèi)斯·維米爾的杰作 -“戴珍珠耳環(huán)的少女”的明亮色調(diào)和微妙陰影。該方法在提升光通信和增強(qiáng)貨幣偽造難度方面有巨大潛在應(yīng)用。

圖：使用了數(shù)百萬個(gè)控制透射光顏色和強(qiáng)度的納米柱復(fù)制的“戴珍珠耳環(huán)的少女”

通過增加或減少在光纖中傳播光的特定顏色或波長(zhǎng)，可以控制光纖攜帶的信息量。通過改變強(qiáng)度，研究人員可以保持光信號(hào)在光纖中長(zhǎng)距離傳播時(shí)的亮度。該方法也可用于“畫”有細(xì)小但復(fù)雜顏色細(xì)節(jié)的紙幣，使造假者很難偽造。

之前曾有科學(xué)家使用大小不同的微柱或納米柱在白光照射下捕獲并發(fā)出特定顏色。約600納米高、直徑小于人發(fā)一百分之一的納米柱寬度決定了柱子捕獲和發(fā)射光的特定顏色。為了對(duì)該技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，研究人員檢驗(yàn)了納米柱再現(xiàn)維米爾等著名畫家作品顏色的能力。

盡管研究小組已成功準(zhǔn)備好了數(shù)百萬個(gè)納米柱，其尺寸專門用于透射紅、綠或藍(lán)光以創(chuàng)建特定的輸出顏色調(diào)色板，但這些顏色的強(qiáng)度不容易被控制。顏色強(qiáng)度或亮度決定了圖像的光與影（明暗對(duì)比），并增強(qiáng)表達(dá)透視和深度觀感的能力，這是維米爾作品的標(biāo)志性特征。

現(xiàn)在，通過制造能捕獲并發(fā)出特定顏色的光、且能不同程度地改變其偏振的納米柱，NIST研究人員和其來自中國(guó)南京大學(xué)的合作者首次展示了一種控制顏色和強(qiáng)度的方法，研究成果發(fā)布在Optica雜志上。

左圖：用于生成全色納米圖像的圖解原理圖。插圖顯示了組成二氧化鈦納米柱和制造納米柱的掃描電子顯微鏡圖像。比例：500 nm。右圖：白光照射下生成“戴珍珠耳環(huán)的少女”實(shí)驗(yàn)彩圖。比例：50μm

NIST團(tuán)隊(duì)在載玻片上制造了橢圓形二氧化鈦納米柱，其橫截面為具有長(zhǎng)軸和短軸的橢圓形。研究人員對(duì)納米柱進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其長(zhǎng)軸在不同位置與入射白光的偏振方向更多對(duì)齊或更少對(duì)齊。如果納米柱的長(zhǎng)軸與入射光的偏振方向完全對(duì)齊，則透射光的偏振不受影響。如果長(zhǎng)軸相對(duì)于入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)了某個(gè)角度，比如20度，納米柱則會(huì)將入射光的偏振旋轉(zhuǎn)該角度的2倍，即40度。

在載玻片上的各個(gè)位置，納米柱的方向都將其透射的紅、綠或藍(lán)光的偏振旋轉(zhuǎn)了特定數(shù)量。每個(gè)納米柱本身所施加的旋轉(zhuǎn)不會(huì)以任何方式改變透射光的強(qiáng)度，然而研究人員在載玻片背面放置了一個(gè)特殊偏振濾光鏡，光的強(qiáng)度就發(fā)生了變化。

由于濾光鏡的方向使其阻止任何保留原始偏振的光通過，因此載玻片上有些納米柱能保持不變的入射光偏振，這樣的區(qū)域投射為遠(yuǎn)處屏幕上的暗點(diǎn)。在納米柱旋轉(zhuǎn)了入射白光偏振的位置上，濾光鏡允許一定量的紅、綠或藍(lán)光通過。數(shù)量取決于旋轉(zhuǎn)角度，角度越大，透射光的強(qiáng)度越大。通過這種方式，研究團(tuán)隊(duì)首次控制了色彩和亮度。

在這一技術(shù)的基礎(chǔ)上，NIST的研究人員制作了約1毫米長(zhǎng)的維米爾畫作微型版本的數(shù)字副本，然后使用數(shù)字信息來引導(dǎo)由數(shù)百萬個(gè)納米柱組成的矩陣。通過一組方向與入射光成特定角度的五個(gè)納米柱（一個(gè)紅，兩個(gè)綠和兩個(gè)藍(lán)）表示維米爾每個(gè)圖像元素或像素的顏色和強(qiáng)度，以極高的清晰度復(fù)制了畫作 -“戴珍珠耳環(huán)的少女”，甚至捕捉到了畫布上的油漆紋理。研究人員認(rèn)為，復(fù)制的質(zhì)量捕捉了微妙的顏色漸變和陰影細(xì)節(jié)，令人贊嘆，優(yōu)雅地架起了藝術(shù)和納米技術(shù)領(lǐng)域的橋梁。

此項(xiàng)納米柱技術(shù)能夠輕松地應(yīng)用于以特定強(qiáng)度傳輸特定顏色的光，實(shí)現(xiàn)通過光纖進(jìn)行信息交流，或者用難以復(fù)制的微型多色識(shí)別標(biāo)記為紙幣等有價(jià)值物品打上印記，應(yīng)用前景極為廣泛。

（譯：車薇娜 / 圖：NIST & 南京大學(xué)）