光线穿过结构的相互作用创造了自然界中最绚丽的色彩。想象一下彩虹色的蝴蝶翅膀、蛋白石或油遇到水滴时反射的颜色。 

马蒂亚斯·科勒副教授的工作灵感来自于光线通过纳米结构的弯曲，而不是颜料或染料，从而自然地创造出色彩。他和他在麻省理工学院 (MIT) 机械工程学院的研究生是一个由学生、研究人员和工程师组成的更广泛的全球群体的一部分，致力于探索结构色的过程和可能性。 

他们对光波如何通过微观几何反射的研究将力学转化为光学线索。虽然纳米或微米结构太小而无法用肉眼看到，但它们可以操纵光波以获得动态视觉效果。科勒说，结构色的研究提供了“推动材料改变光学的能力”的机会。 

“如果我们可以控制颜色，那么我们就可以控制外观，”他说。“你可以将机械线索、形状和形式转化为光学线索。” 

科勒介绍了他的两名研究生，展示了光学和结构色的基本原理如何应用于不同的系统。安德鲁·布莱尔（Andrew Blair）专注于结构色的材料应用以及颜色如何随着材料物理特性的变化而变化。安娜·费尔德斯坦 (Anna Feldstein) 致力于研究液体系统中的结构颜色。 

“在这两个系统中，我们可以通过机械地改变某些东西来改变观察到的颜色，”费尔德斯坦说。“我们有白光和某些波长的光，根据入射角度或观察角度，它们会产生相长或相消性干涉，然后你就会观察到一种颜色。” 

拉伸具有不同折射率层的聚合物会改变材料的颜色。Kolle 之前工作中的示例探索了材料结构颜色的先进光学功能在商业应用中的作用方式，例如压力监测绷带，可以提供适当治疗的清晰视觉指示，或者通过颜色显示其强度水平的结。

“在液滴系统中，我们可以通过化学反应来改变结构，这也会导致观察到不同的颜色，”费尔德斯坦说。Kolle 指出，结构色在液体中的应用提供了更大的尺度，并且液滴的大小和曲率及其折射率会影响结果。 

当费尔德斯坦考虑她的教育可能采取的方向时，她经常想到的是在加拿大落基山脉湖泊中看到的电蓝色。“[它们]含有沉积物，但如果你去舀水，你会发现它只是清水，”费尔德斯坦说。童年时期的迷恋，以及对微尺度液滴和界面张力的兴趣，与结构颜色的研究相交叉。

布莱尔在本科化学学习期间接触纳米结构制造和光刻技术后产生了兴趣。在麻省理工学院加深对力学和光学的理解，帮助他将这一切结合起来实现他的近期目标：捍卫他的博士学位。穿着由团队编织的结构色衬衫。布莱尔表示，这似乎是实现布莱尔关于如何利用结构色“从根本上改变全球纺织品市场”的长期愿景的适当一步。包括织物的可回收性和美观特性。

“[两者]使用不同的结构，但它们产生相同的效果，”科勒说。“这总是这样的技巧：减慢一点光的速度，将一些光进一步推进一点，然后重新组合它。”

结构色彩优势 

结构色具有产生虹彩和其他可变光学效果的优势。对于颜料，“你只有一种颜色，每个人从各个方向看到的都是相同的颜色，”科勒说。“通过这些结构，我们可以创造出不同的颜色。在某些刺激下，在不同的方向上，这些颜色看起来会有所不同，这可以定义我们的空间。” 

布莱尔说：“这是一种美学色彩，否则很难制作出来。” 它还避免在颜料和染料中使用可能不环保或对消费者不健康的化学物质。 

正在探索的结构色的其他潜在应用范围从实用到娱乐。 

科勒的另一名学生正在探索如何使用结构色来识别和分类瓶子，从而产生了利用其促进回收的新想法。科勒的其他一些同事正在研究如何使用结构色来快速、清晰地指示我们所消费的食物的特征。 

科勒说，液体或食物中可以包含一种响应性光学元件，在你打开并闻到它之前，它会告诉你产品已经变质。而且，虽然它可能不会改变世界，但结构色彩的另一个有趣的潜在用途是创造互动的食物体验。科勒说，有一天，调酒师可能会混合出一种含有结构色流体模型的饮料，当摇动饮料或在敬酒时碰杯时，这种结构颜色可能会改变颜色或外观。 

Kolle、他的学生以及结构色彩领域的其他同事和合作伙伴都看好结构色彩在商业应用中的机会。一些启动资金已经到位，科勒和他的团队正在继续与医疗专业人士对话，以发现结构颜色可以更好地帮助满足患者护理需求的方法。他认为不同机构之间的联系和伙伴关系有助于让人们了解未来在公开市场上使用结构色的可能性。 

南希·克里斯托夫是丹佛的一位科普作家。

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