沒色素，卻美到犯規(guī)！藍(lán)閃蝶翅膀中的終極奧秘，為人類開啟“設(shè)計(jì)光”的大門

宏觀世界的藍(lán)閃蝶

在南美洲熱帶雨林，藍(lán)閃蝶是極具辨識度的生靈。明媚的陽光灑落在它的翅膀上，立刻會折射出耀眼奪目的金屬藍(lán)光澤。

長久以來，人們默認(rèn)世間萬物的色彩都源于色素。可是，當(dāng)科學(xué)家?guī)е闷妫瑢⑺{(lán)閃蝶的翅膀碾成細(xì)膩粉末時(shí)，一個(gè)顛覆認(rèn)知的現(xiàn)象出現(xiàn)了：原本亮眼的藍(lán)色竟然徹底消失。這些粉末呈平淡的灰白色，沒有一絲藍(lán)色痕跡。如果顏色來自色素，那么即便翅膀被碾碎，色素分子依然存在，藍(lán)色為什么會憑空消失呢？

這一現(xiàn)象困擾了科學(xué)界數(shù)百年，謎底最終在微觀世界里被揭開。

借助高分辨率電子顯微鏡，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，藍(lán)閃蝶翅膀的表面遠(yuǎn)非肉眼所見的平整光滑，而是密布著無數(shù)納米級微型鱗片，它們排列規(guī)整有序，形成了復(fù)雜且精密的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)——當(dāng)自然光照射在這些微觀結(jié)構(gòu)上時(shí)，光線會發(fā)生反射、散射與光學(xué)干涉等一系列物理效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)的篩選下，最終進(jìn)入人眼的只有純粹的藍(lán)光——這才是藍(lán)閃蝶翅膀呈現(xiàn)藍(lán)色的真正原因。

藍(lán)閃蝶翅膀的微觀納米結(jié)構(gòu)（《自然-光子學(xué)》2007年）

由此可見，藍(lán)閃蝶的藍(lán)色是依靠微觀結(jié)構(gòu)“調(diào)控”出來的。這種不依賴化學(xué)色素、完全由物理微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的色彩，被科學(xué)界命名為“結(jié)構(gòu)色”。

放眼自然界，擁有結(jié)構(gòu)色的生物比比皆是：雄孔雀尾羽上流光溢彩的眼狀斑紋、甲蟲外殼的金屬光澤、珍珠母貝溫潤多變的虹彩、蜂鳥頸部絢爛的金屬色羽毛，還有部分深海生物、蜻蜓翅膀的幻彩效果，本質(zhì)都是結(jié)構(gòu)色在發(fā)揮作用。

這些生物堪稱大自然最古老、最頂尖的光學(xué)工程師。億萬年來，它們依靠進(jìn)化出的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，滿足求偶、偽裝、警示天敵等生存需求。而人類直到近代才發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色的奧秘，這為人類操控光線打開了一扇全新大門。

“設(shè)計(jì)光”讓光“違背常理”

在結(jié)構(gòu)色原理被系統(tǒng)解讀前，人類利用和控制光的方式始終局限在改變材料本身的框架內(nèi)。數(shù)千年來，從古埃及青銅鏡、古代中國的琉璃器物，到近代工業(yè)化生產(chǎn)的光學(xué)元件，人類一直依托材料固有的光學(xué)屬性駕馭光線。

20世紀(jì)末，納米科學(xué)與微納加工技術(shù)迎來爆發(fā)式發(fā)展，人類得以深入納米尺度的微觀世界。科學(xué)家從大量實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出一個(gè)顛覆性結(jié)論：在決定物質(zhì)光學(xué)性能方面，微觀結(jié)構(gòu)可能比材料組分更加重要。當(dāng)人工構(gòu)造的微觀結(jié)構(gòu)尺寸縮小到與可見光波長（數(shù)百納米）相近時(shí)，這些微小結(jié)構(gòu)就會變身成為一個(gè)個(gè)人工光學(xué)元件，按照人類的設(shè)計(jì)意圖改變光的運(yùn)動狀態(tài)。

基于這一核心思路，一個(gè)跨時(shí)代的新概念應(yīng)運(yùn)而生——超材料。超材料并非某種全新的化學(xué)合成材料，而是一類依靠人工設(shè)計(jì)、精密排布微納結(jié)構(gòu)，從而獲得天然材料所不具備的特殊光學(xué)功能的材料體系。它的核心思想簡潔卻極具革命性：不改變材料的化學(xué)成分，而是通過設(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對光線的精準(zhǔn)控制。如果說從前人類只是“使用光”，那么現(xiàn)在則正式開啟了“設(shè)計(jì)光”的全新征程。

提到“設(shè)計(jì)光”，就不得不提及“人工原子”——超材料中最小的結(jié)構(gòu)單元。它僅有納米尺度，卻具備獨(dú)立調(diào)控光線的能力，可精準(zhǔn)改變光波的振幅、相位、偏振方向以及傳播路徑。不妨想象一下建造一座城市：基礎(chǔ)建材只是普通磚塊，盡管每塊磚功能單一，但當(dāng)無數(shù)磚塊按照設(shè)計(jì)師的意圖組合、堆疊、排列時(shí)，就能搭建出住宅、橋梁、體育館、摩天大樓等形態(tài)各異、功能不同的建筑。超材料中的人工原子就如同這些基礎(chǔ)磚塊，單個(gè)人工原子構(gòu)造簡單，但當(dāng)數(shù)百萬、數(shù)十億個(gè)人工原子按照預(yù)設(shè)規(guī)則有序排列、協(xié)同工作時(shí)，超材料就會展現(xiàn)出天然物質(zhì)無法實(shí)現(xiàn)的光學(xué)行為。

電磁隱身斗篷（《自然-光子學(xué)》2020年）

依托精妙的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超材料能夠?qū)崿F(xiàn)一系列違背傳統(tǒng)光學(xué)認(rèn)知的奇妙效果：讓特定波長的光線繞過物體，實(shí)現(xiàn)局部“隱身”；讓光線朝著與常規(guī)方向相反的角度折射；讓一塊平整的薄片擁有傳統(tǒng)曲面透鏡的完整成像能力……這些看似反直覺的光學(xué)現(xiàn)象，都印證著超材料領(lǐng)域的核心理念：結(jié)構(gòu)決定功能。

鏡頭比紙薄，色彩“活”起來

在超材料的眾多應(yīng)用方向中，超透鏡是當(dāng)前落地潛力最大、最貼近大眾生活的技術(shù)之一，它有望徹底顛覆我們熟知的鏡頭形態(tài)。如今用于智能手機(jī)、運(yùn)動相機(jī)等設(shè)備的鏡頭模組大多向外凸起，這是因?yàn)樵O(shè)備為了提升成像清晰度與畫質(zhì)，需要搭載多片不同規(guī)格的玻璃透鏡。不過，隨著AR眼鏡、微型內(nèi)窺鏡、衛(wèi)星微型相機(jī)等設(shè)備的興起，傳統(tǒng)鏡頭的過大體積日益成為痛點(diǎn)。超透鏡的出現(xiàn)徹底打破了這一桎梏——一枚超透鏡的整體厚度僅有幾百納米，比普通紙張還要薄上數(shù)十倍，卻能夠完整實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)透鏡的聚焦、成像等核心功能。

超透鏡結(jié)構(gòu)的微觀圖像（《自然》2026年）

超透鏡的工作邏輯與傳統(tǒng)透鏡截然不同：傳統(tǒng)透鏡依靠曲面形態(tài)折射光線完成聚焦，而超透鏡則依靠表面數(shù)十億個(gè)納米結(jié)構(gòu)單元逐一調(diào)控入射光波的相位——每個(gè)單元都是一枚微型光學(xué)元件，所有單元協(xié)同配合，就能將散射的光線精準(zhǔn)匯聚到指定位置。這項(xiàng)技術(shù)一旦大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，將帶來全方位變革：智能手機(jī)機(jī)身可以做到極致平整輕薄；醫(yī)療微型內(nèi)窺鏡能搭載更小的成像鏡頭，實(shí)現(xiàn)人體更深部位的無創(chuàng)檢測；衛(wèi)星遙感相機(jī)也能大幅縮小體積，降低發(fā)射成本。

結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用，則是超材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程最快的方向之一。傳統(tǒng)顏料的色彩來自化學(xué)分子，隨著時(shí)間推移，化學(xué)分子會逐漸老化、分解，這便是物品褪色的根本原因。同時(shí)，工業(yè)顏料中常含有重金屬等有害物質(zhì)，在生產(chǎn)、使用和廢棄環(huán)節(jié)都會造成環(huán)境污染。結(jié)構(gòu)色則完美規(guī)避了這些缺陷——它依托物理微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生色彩，只要微納結(jié)構(gòu)不被破壞，顏色就能永久保持。精心設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)還能呈現(xiàn)出普通顏料難以企及的高飽和度、高辨識度色彩，視覺效果更加驚艷。

利用物理結(jié)構(gòu)色打印出的多功能全彩納米繪畫（《自然-納米技術(shù)》2023年）

更具價(jià)值的是動態(tài)結(jié)構(gòu)色。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化，或是人為調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)的尺寸與形態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)色的色調(diào)、亮度也會同步改變。這種可動態(tài)切換的特性，讓結(jié)構(gòu)色成為高端防偽領(lǐng)域的理想技術(shù)。未來，紙幣、身份證、護(hù)照、高端藝術(shù)品、名貴藥品包裝，都可搭載結(jié)構(gòu)色防偽標(biāo)識，構(gòu)建起難以破解的安全防線。除此之外，動態(tài)結(jié)構(gòu)色還可應(yīng)用于智能變色面料、建筑裝飾涂層、新型顯示屏幕等領(lǐng)域，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來全新升級。

人工智能的介入，將使人類“設(shè)計(jì)光”的能力迎來質(zhì)的飛躍。在超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)模式是“先做結(jié)構(gòu)，再測性能”，這需要科研人員手動設(shè)定上百個(gè)參數(shù)，反復(fù)制作樣品、測試調(diào)整，一套成熟結(jié)構(gòu)往往耗費(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年。如今，AI逆向設(shè)計(jì)成為主流思路：研究人員只需輸入具體功能需求，算法就會依托海量數(shù)據(jù)庫與仿真模型，快速迭代優(yōu)化，在短短幾天內(nèi)輸出多套符合要求的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

“光計(jì)算時(shí)代”將提速千百倍

在信息時(shí)代，電子技術(shù)已成為整個(gè)人類社會的運(yùn)轉(zhuǎn)基石。手機(jī)、電腦、服務(wù)器、人工智能設(shè)備的核心都是半導(dǎo)體芯片，芯片內(nèi)部依靠電子的定向移動完成運(yùn)算、存儲與信息傳輸。但經(jīng)過數(shù)十年的飛速發(fā)展，電子芯片已逐漸觸碰到物理極限：隨著制程不斷縮小，電子運(yùn)動產(chǎn)生的功耗與發(fā)熱問題愈發(fā)嚴(yán)重，量子隧穿等微觀效應(yīng)也開始干擾芯片正常工作，經(jīng)典電子計(jì)算的性能提升速度正在放緩。

為突破這一瓶頸，科學(xué)家將目光投向了速度更快、潛力更大的光。光擁有三大天然優(yōu)勢：傳播速度接近宇宙極限，信息承載帶寬遠(yuǎn)超電子，傳輸過程能耗極低。如果能用光替代電子承擔(dān)計(jì)算與數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵墓ぷ鳎型麖氐状蚱苽鹘y(tǒng)芯片的性能枷鎖。

超材料正是實(shí)現(xiàn)“光計(jì)算”的關(guān)鍵載體——借助它精準(zhǔn)調(diào)控光場、光路的能力，研究人員可以搭建全新的光學(xué)運(yùn)算體系。近年來，全球多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)紛紛發(fā)力，基于超材料研發(fā)光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)計(jì)算芯片、全光人工智能系統(tǒng)。在這類新型設(shè)備中，超材料陣列負(fù)責(zé)對光束進(jìn)行調(diào)控、分束、合束，光線則代替電子完成數(shù)據(jù)運(yùn)算與信息交互。

業(yè)內(nèi)預(yù)測，成熟的光學(xué)計(jì)算設(shè)備運(yùn)行速度有望比當(dāng)前頂尖電子芯片高出數(shù)百倍甚至數(shù)千倍。未來的計(jì)算機(jī)將不再依賴電子流，而是依靠光在微納結(jié)構(gòu)中的傳播完成工作，一個(gè)全新的“光計(jì)算時(shí)代”正在醞釀。

（作者分別為中國科學(xué)院化學(xué)研究所博士、研究員）

原標(biāo)題：《沒色素，卻美到犯規(guī)！藍(lán)閃蝶翅膀中的終極奧秘，為人類開啟“設(shè)計(jì)光”的大門》