本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
最近，伊利诺伊大学的物理学家报告称，他们在制造用于发光二极管的高质量 3D 光子晶体方面取得了成功——这是使光子晶体在这些类型的光学设备（也包括太阳能电池和灯泡）中商业上可行的一大步。这启发我挖掘一篇2007 年关于光子晶体的帖子，在此提供，并进行了一些小的修改和补充。
光子晶体并不像听起来那么 exotic。如果你见过蝴蝶或蜻蜓的虹彩翅膀，或者欣赏过一块可爱的蛋白石，你就见过它们（或它们的效果）。詹-吕克·皮康尤其喜欢蛋白石珠宝——尤其是当一位有魅力的求婚者将它们赠送给她时，伴随着美酒和龙虾焗烤，在烛光和一个兰花的映衬下。
詹-吕克的一些优秀同伴也和她一样喜欢宝石。维多利亚女王非常喜爱蛋白石，经常将它们作为结婚礼物赠送，当澳大利亚（当时是大英帝国的一部分）被证明是蛋白石的富产区时，她感到非常激动。根据维基百科，在中世纪，“金发女郎佩戴蛋白石项链以保护她们的头发免于褪色。” 我想那时他们还没有欧莱雅。人们也相信蛋白石对视力有益。罗马历史学家普林尼认为，蛋白石结合了“所有其他宝石的美丽”。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
蛋白石是大自然的天然光子晶体——这是一个我之前报道过的主题，包括这里和现已倒闭（唉！）的杂志《工业物理学家》。早在 1887 年，瑞利勋爵首次研究了光与最简单的光子晶体形式之间的相互作用：一维周期性结构（今天在反射涂层等领域很有用）。
整整一个世纪才产生了 2D 和 3D 版本，这项荣誉归功于 Eli Yablonovitch 和他的合作者，他们在 1991 年 Yablonovitch 在新泽西州贝尔通信研究公司工作时完成了这项壮举。他们机械地在一种现在被称为“Yablonovite”的材料块中钻了微小的孔。正如预期的那样，这种材料阻止了微波在任何方向上传播（光子带隙）。这个领域蓬勃发展起来，尽管花了十多年时间才制造出能够阻挡近红外光和可见光的光子晶体。
注意带隙
这就是光子晶体如此独特的原因：光子晶体中的原子或分子以精确的晶格结构排列，类似于 3D 蜂窝或鸡蛋盒。根据这些构建块之间的间距，这会产生“光子带隙”：某些频率的光被阻挡，而其他频率的光优先通过。人们对使用光子晶体替代用于给服装或建筑物，甚至化妆品着色的昂贵且有时有毒的染料产生了浓厚的兴趣。欧莱雅有一个彩妆系列，以这些虹彩效果为特色，其中颜色仅在化妆品涂抹并暴露在光线下时才会出现。
迄今为止，人造光子晶体薄膜的一个问题在于：它们高度依赖于视角。拿起一张这样的薄膜，“除非你看到反射在其中的光线，否则你只会看到乳白色，在这种情况下，来自光源的某些颜色会被优先反射，”根据杰里米·鲍姆伯格，他是英国南安普顿大学的物理学家。改变视角，感知到的颜色也会改变。（我为《新科学家》杂志写了一篇短文，介绍了他 2007 年 7 月的工作；原始论文发表在《光学快报》上，《光学快报》是美国光学学会的在线开放获取期刊。）
他认为，科学家们错误地假设了在人造和天然光子晶体中起作用的效果相同：晶格结构导致光线从表面反射，从而在人眼中产生颜色感知，而看到的颜色取决于反射角。但鲍姆伯格说，天然结构似乎选择性地散射而不是（或除了）反射光，更像衍射光栅。
在强大的显微镜下观察蛋白石，你会看到它是由二氧化硅球体堆叠在一起形成的，就像你普通杂货店里展示的橙子和其他球形水果一样。由于这些二氧化硅球体并不比可见光的波长大多少，因此堆叠就像一种光栅。
球体尺寸的规则性和它们堆积在一起的精确程度决定了将被衍射的光的波长，从而决定了人们看到的颜色。鲍姆伯格在着手制作聚合物蛋白石薄膜时复制了这种结构。
即使从技术上讲蛋白石是一种矿物基宝石，它也被认为是“类矿物”，因为它没有科学狭义定义的真正晶体结构。然而，正是这种“不完美”产生了非常强的颜色效果——比人造薄膜产生的虹彩更强。
鲍姆伯格认为大自然可能掌握了一些诀窍，他使用了三维堆叠的塑料球阵列，而不是过去大多数研究人员在类似工作中使用的层。例如，欧莱雅的彩妆系列是通过堆叠纳米级材料层（如云母或二氧化硅）制成的，这些材料层的厚度各不相同；厚度赋予特定的颜色。
如此惊艳（掺杂）
鲍姆伯格薄膜产生的颜色比其他研究人员早期版本产生的颜色更强烈，并且远没有那么依赖于视角。这是因为鲍姆伯格添加了一个技巧：他通过在球体之间紧密楔入微小的碳纳米颗粒来“掺杂”他的晶体，他将这种结构比作“堆叠在橡胶中的炮弹”。
最终结果：光线不仅在塑料球体和周围材料之间的界面处反射，而且还在嵌入的纳米颗粒上微弱散射。类似的效应使天空看起来是蓝色的，只不过这种效应通过将颗粒嵌入光子晶体的晶格结构中而得到增强。似乎需要这两种效应才能获得这些聚合物蛋白石薄膜所需的光学特性。
事实上，鲍姆伯格指出，许多开采的蛋白石都经过了“烹饪”——要么在地球深处数百万年，要么由矿工自己在人造实验室中进行——而这个过程会在构成蛋白石的二氧化硅球体周围产生有机纳米颗粒。在橙色的澳大利亚火蛋白石中，这种情况尤其明显。
（顺便说一句，左边令人惊叹的照片只是佛罗里达州立大学分子表达网站制作的常见物体的众多特写照片之一：“探索光学和显微镜的世界。” 我鼓励读者自己去探索。蛋白石页面在这里，但总的来说这是一个很棒的网站，人们可以在上面花费数小时——我当然有——浏览其各种页面。）
许多蛋白石在没有这种冷却过程的情况下看起来只是泛白的。“在试图从提取这些宝石的矿工那里了解秘密时，似乎很清楚‘配方’正是增强我们已经展示的效果背后的散射，”鲍姆伯格告诉我。
与天然蛋白石非常相似，您只需更改球体的大小即可更改最终的颜色，因此这是“可调”材料的另一个示例。对于绿橙色薄膜，鲍姆伯格和他的同事使用半径为 100 纳米的球体。因此，它非常适合实际应用。但您也可以定制嵌入的纳米颗粒以适应特定的应用。
例如，您可以创建与某些危险化学试剂或毒素反应的纳米颗粒。这将导致薄膜拉伸，从而改变晶格结构中球体之间的间距——因此，颜色会发生变化，表明目标物质的存在。这就是为什么军方对鲍姆伯格的工作感兴趣的原因之一：这些薄膜非常适合制作传感贴片，可以将其直接编织到士兵的制服中，并在野外存在危险毒素时提醒他们。
同样的效果使聚合物蛋白石薄膜成为食品包装应用的绝佳候选材料——这是联合利华感兴趣的领域。想象一下，能够查看冰箱并立即判断出某些易腐烂的食品是否已变质：包装会改变颜色。纳米颗粒将被定制为对食物变质时发生的任何事情做出反应，薄膜拉伸，球体之间的间距发生变化。
使用这些薄膜来制造货币，你就得到了一种方便的防伪措施：有人只需扭曲或拉伸钞票，看看它是否会改变颜色，就可以判断钞票是否是真钞。欧洲航空防务航天公司 (EADS) 的想法不那么 exotic：他们希望使用这些薄膜来涂覆其空客飞机的尾翼。因为颜色 = 漂亮！鲍姆伯格自己则有兴趣看看他是否可以使用由他的新材料编织而成的纤维来制作柔性显示器。
法庭上的混乱
还有其他物理学家正在试验“掺杂”光子晶体，只是想看看会发生什么。去年 11 月，《应用物理快报》上发表了一篇关于意大利和德国物理学家团队最近工作的论文，他们开发了一种新的、灵活的制造技术，用于“可重写”光子晶体器件。与鲍姆伯格专注于更多面向消费者的应用不同，这些研究人员对将这些器件用于光学计算感兴趣，在光学计算中，光子以与我们目前的计算机中电子相同的方式处理信息。他们采用蜂巢图案排列的微小孔的 2D 晶格，并通过将不同的材料直接注入孔中来插入缺陷。
鲍姆伯格过去曾试验过用于光学芯片和 LED 的 2D 薄膜，这些薄膜由非常致密的玻璃和半导体制成——当默克公司询问他关于将光子晶体用于光学器件时，他是如何进入这个领域的。他说，除非这些薄膜具有非常高的折射率对比度，否则它们没有用处，而且与聚合物蛋白石相比，它们的制造成本也高得多，因为光学芯片根本“无法容忍晶格中的无序”。聚合物蛋白石应用实际上需要一定的无序；球体不需要完美堆叠，“事实上，如果它们不是完美堆叠，那就更好了，”鲍姆伯格说。
对一些混乱的容忍是鲍姆伯格在达姆施塔特的德国 DKI 合作者能够
批量生产长达 100 米的薄膜的最大原因——这是科学家首次能够做到这一点，并且仍然获得具有如此强烈的颜色特性，并且可以如此容易地为如此广泛的商业应用量身定制的材料。
在自然界中，蛋白石往往需要数百万年才能形成，这是沿着海洋或海洋海岸线的沙质沉积物将二氧化硅以某种类型的流体溶液沉积到岩石裂缝、粘土层甚至一些化石中的结果。当二氧化硅凝固时，其中一部分变成了蛋白石。虽然没有完全复制这个过程，但鲍姆伯格和他的德国合作者在制造蛋白石的方法中存在一些共同元素。
制造过程不涉及任何先进的光刻或蚀刻，只涉及几种简单的聚合物。他们使用一种定向自组装，首先在烧瓶中生长聚苯乙烯球体——批量生产令人印象深刻的 350 公斤，不少于。一旦球体达到合适的尺寸（直径约为 200 纳米），他们就会停止生长过程并用紫外线照射球体以使其硬化。然后，球体被涂上另一种软聚合物（聚乙酸乙酯或 PEA，对于好奇的人来说）的粘性外层。
根据鲍姆伯格的说法，然后将球体在 150 摄氏度下“挤压”。这使得外壳变得稀薄——外壳基本上融化成流体，因此自然会产生剪切流。“当所有球体相互滚动并想要排列成美丽的晶格时，大自然似乎偏爱球体排列在一起，但我们[仍然]试图确切地了解原因。” 他在回答仓促发送的电子邮件查询时写道。
所以现在我们有了可爱的天然光子晶体，由于在这一点上，我们拥有的只是可见的布拉格反射，因此光子带隙效应不完美，尽管这种材料既柔韧又具有延展性，随着弯曲和拉伸而改变颜色。将更小的（小于 50 纳米）碳纳米颗粒引入晶格结构的间隙是最后一步，引入了至关重要的衍射光栅/散射效应。您保持了晶格结构，同时还增强了所需的颜色效果，从而获得了一种提供强烈颜色且较少依赖于视角的材料。
我怀疑鲍姆伯格对伊利诺伊大学的保罗·布劳恩最近的工作非常感兴趣，他已成功为 LED 和类似光学器件构建了 3D 光子晶体。这是理想的，因为在 3D 中，可以控制光在所有维度上的传播（2D 晶体仅控制光在两个维度上的传播）。关键是他的制造方法，这一点在《技术评论》中得到了简洁的总结
制造这些结构很棘手。光子晶体结构各不相同，但它们通常是通过在材料中钻纳米级孔、棒和其他特征来制成的。用必要的纳米级结构在平板材料上形成图案以制造二维光子晶体是一个相对简单的过程。要将这种图案制作成厚块材料以制造三维结构而不降低材料的质量，则要困难得多。最有用类型的光子晶体——除了精确地控制光流之外，还可以主动地在电信号和光信号之间进行转换的光子晶体——是最难制造的，因为在制造过程中会引入材料缺陷。这种光到电和电到光的转换在 LED、太阳能电池和用于计算的光学数据互连中至关重要。
漂亮的珍珠层
我也对珍珠层（又名珍珠母）情有独钟，尤其是鲍鱼壳内部发现的那种；珍珠牡蛎和淡水珍珠蚌也产生珍珠层。这种物质由构成上述生物外套膜组织的上皮细胞分泌，并且不断分泌，沉积到贝壳的内表面——作为平滑内部的一种手段，以及作为防御任何入侵的寄生生物或异物的手段。当入侵者进入时，软体动物会通过用连续的同心珍珠层包裹它们来做出反应，最终形成珍珠。
像蛋白石和其他天然光子晶体一样，珍珠层也表现出虹彩，尽管它似乎不是由晶格结构引起的；它更像平行排列的砖块整齐地堆叠在一起。珍珠层主要由称为文石的纳米薄碳酸钙晶体层制成，与蛋白石一样，虹彩是由于光线从这些晶体层反射时发生的干涉造成的。
根据《物理评论聚焦》2007 年的一篇文章，2007 年 7 月 29 日发表在《物理评论快报》上的一篇论文阐明了珍珠层的微观结构以及它的生长方式。反过来，这可以解释为什么珍珠层如此抗裂——比其有机和晶体成分的韧性高 3000 倍。
威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员使用微调的偏振 X 射线束来研究其结构。晶体呈不规则圆盘状，并排列成交替的片状和支架层。《聚焦》文章将其描述为“有点像边缘接触的单层硬币，与纸张交替”。
与鲍姆伯格的聚合物蛋白石一样，大自然的不精确性有其目的：麦迪逊小组的理论是，由于珍珠层是一层一层形成的，因此这些层并没有完美对齐，尽管它们确实倾向于形成类似于“蛇形堆叠的四分之一硬币”的锯齿状柱状物。小孔穿透这些层，这些孔可能是相当随机地分散而不是垂直对齐的。由此产生的结构更抗裂，因为裂缝不能轻易地传播——它们不断地遇到这些孔，这些孔充当晶界。考虑到珍珠层是由生物的生物过程形成的，也许它的结构并非完全由晶体生长的通常内在特性决定，这并不令人惊讶。
看到了吗？蛋白石和其他闪亮之物不仅仅关乎审美之美。