大自然為生物賦予了各種各樣的色彩，除了常見的赤橙黃綠青藍紫外，還有反光效果很好的金屬色等等。有趣的是，一些生物身上的顏色也能像金屬那樣閃閃發光，在不同光線下顏色甚至還會有變化。實際上，大自然很多色彩由色素產生，但也有一部分色彩是利用光學效應形成的，比如蝴蝶翅膀的鱗片、鳥的羽毛、甲殼蟲外殼，它們的顏色並非來自色素，而是由結構色形成。
近期，MIT機械工程學院研究生Benjamin Miller從大自然的結構色獲得靈感，利用彈性的全息薄膜打造了一種色彩鮮艷、拉伸時可變色的顯示和印刷方案。據稱，這是首個低成本、可庫歐戰的結構色合成技術，可應用於醫療、軍事、AR/VR等多種場景。
靈感來自結構色
結構色是一種自然現象，它不是通過色素來直接顯示顏色，而是通過光波在自然材質上發生折射、漫反射、衍射、干涉而產生顏色，這種現象通常出現在蝴蝶鱗片、鳥類羽毛、甲蟲鞘翅、海洋動物的殼上，外觀看起來可能具有金屬光澤、閃光等特性。
不同於固定的色素，結構色通常是動態的，可變色，而且色彩鮮艷、飽和度高、永不退色。由於基於傾斜和分層的納米結構，結構色可以像微型的彩色鏡面、布拉格反射器那樣反射光線。而在變形時，其納米結構的密度也在發生變化，進而控制光波的反射，實現色彩變化（比如從紅色變為藍色）。
19世紀末期，法國物理學家Gabriel Lippmann利用結構色原理，發明了彩色照相干涉法，這種方法無需染料，而是利用不同波長的天然顏色還原黑白照片的原始色彩。Lippmann合成結構色的方法比較複雜，需要利用蛋白工藝在鏡面上覆蓋超精細的感光乳劑，經過乾燥後再經過銀浴等步驟，再暴露在光束下，之後感光乳劑重新配置結構，反射出光束的圖案和波長。這個工藝流程費時費力，尤其是曝光部分需要好幾天。
簡化結構色合成工藝
此前，各種供科研人員曾嘗試在不同的材料中複製結構色，但問題是僅製造出小規模的樣品，擴大結構色規模會降低光學精度。後來，MIT機械工程學院研究生Benjamin Miller從全息技術上取得了靈感，他表示：全息技術通過將兩束光線疊加在物理材料上，來實現3D圖像顯示，這和大自然形成結構色的過程幾乎一樣。
類似於Lippmann的乳劑，全息材料也是感光材料，可記錄並反射光線，常見於防偽標誌、護照上的全息防偽膜。當前，全息材料已做到足夠靈敏，使用市面有售的投影儀就能實現上色，只需要幾分鐘。
Miller的方案比Lippmann的彩色照相法更簡單，首先將全息薄膜黏在鏡子、鋼板等反光表面上，然後使用桌面投影儀將數字圖像照射在上面。結果就是，在全息薄膜上形成了一種納米結構，將全系薄膜取下併疊加在黑色矽膠背板或織物上後，就形成了結構色材料。簡單來講，就是打造了一種可拉伸的彈性全息圖。
多樣的應用場景
為了驗證方案效果，科研人員只做了一個8x6英寸的柔性薄膜，上面印有複雜的花束圖案，當你拉伸薄膜時，花束的色調會從暖色變為冷色。除此之外，這項技術還可以轉印草莓、硬幣、手指等物體的表面紋理。薄膜上的紅色在受到壓力後，會開始變綠甚至變藍，可敏感的反應壓力變化。
由於全息薄膜具有彈性，這項技術可以很容易與織物融合，用來製造泳衣、緊身衣。結構色通常屬於多層微孔結構，支持液體、氣體在其內部循環。如果應用於可穿戴設備，也可以做到透氣和保溫效果。
此外，還可以用來製作加壓繃帶，可通過色彩變化來反應壓力，幫助醫護人員、病人更好的控制繃帶的鬆緊度。更多潛在應用場景包括：觸感機器人、頭盔顯示器、隱身和偽裝（軍事場景）、3D成像、AR/VR、可穿戴設備、光資訊處理等領域。
有趣的是，利用彈性結構色薄膜的特性，還可以在其中隱藏圖像，當薄膜被拉伸時，原本不可見的圖像會變成肉眼可見的紅色。因此，還可以利用這一點來編輯隱藏的資訊。
總體而言，該團隊的技術是第一個能夠對詳細的結構彩色材料進行大規模投影的技術，創造出了一種簡單但非常有效的方法來生產大面積光子結構。科研人員表示：這項技術可能會改變塗料和包裝以及可穿戴設備的遊戲規則。參考：MIT
