色を塗らずに「構造色だけ」で絵画を再現することに成功!未知の色が見られるかも?

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Credit: Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15349-y
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  • 光の吸収を起こす表面プラズモンという現象を制御して、塗料などを使わずに自由に色を再現することに成功
  • こうした構造色の技術は、純粋な光で作られた色で、鮮やかな色彩と明るさを示す

色とはなんでしょうか? それは光の波長によって作られているものです。

あらゆる波長の光が反射されると、私たちには白く見えます。逆に、あらゆる波長を吸収する物体を見たときは黒く見えます。

しかし、それ以外の色はどうでしょう?

色は特定の波長が吸収されることで発生します。表面で吸収されず残った波長の色だけ見るので、たいていの色は失われた波長の分だけ暗くなってしまいます。

圧倒的に明る場所では、鮮やかな色彩を放つものでも、暗い場所ではなんだかよくわからない色になってしまうのはこれが原因です。

ところが、世の中には構造色と呼ばれるものがあり、これは可視光の波長レベルの表面構造が光の波長を調整して反射することで、輝くような鮮やかな色を発します。

最近はこの構造色が生み出す鮮やかな色が注目されていて、着色せずに色を作り出す方法が研究されています。

今回の研究は、光を全て吸収して黒く見える表面プラズモン共鳴を制御して、望んだ色を生み出そうというものです。

研究者たちはこの方法によって、中国の色鮮やかな水墨画を、表面構造だけで再現することに成功したと報告しています。

この研究は、イギリスのバーギンガム大学及び、ドイツのルートヴィヒマクシミリアン大学、中国の南京大学の研究者を含む国際研究チームより発表され、論文はオープンアクセスの科学雑誌「Nature Communications」に3月24日付で掲載されています。

Manipulating disordered plasmonic systems by external cavity with transition from broadband absorption to reconfigurable reflection
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15349-y

自然の作る不思議な構造色

自然界の中には、色が付いているわけではないのに、鮮やかな色彩を放っているものがあります。

有名なのがモルフォ蝶の鮮やかな青色の羽です。

鮮やかなモルフォ蝶。しかしひっくり返すと色がないことがわかる。/Credit:Bio-Inspired Bright Structurally Colored Colloidal Amorphous Array Enhanced/Advanced Science News

実際、構造の存在しない裏側にひっくり返してみてみると、なんの色素も無いことがわかります。

モルフォ蝶の羽は、実際青い色素があるわけではなく、可視波長の微細な表面構造によって青色の波長だけが強調・反射することで輝く青色を放っているのです。

モルフォ蝶の構造発色の原理。/Credit:lexus.jp
こうした構造発色を利用して、鮮やかな色彩を実現しようという研究はあちこちで進められています。
最近では、車の塗料代わりに構造発色が利用された例もあります。
トヨタのレクサス特別仕様車“Structural Blue”はモルフォ蝶のような構造色を利用していて、塗料による着色をしていない。/Credit:lexus.jp

今回の研究者たちはがアイデアを得たのは、「リカーガスカップ(Lycurgus cup)」というローマ時代に作られたグラスです。

これは、4世紀の品でありながらナノレベルの構造色が利用されていて、正面から光を当てると緑色に見えるのに、後ろから光を通すと赤く見えるのです。

プラスチックに金のナノ粒子を混合して、3Dプリントで再現されたリカーガスカップ。/Credit:3D Printed Dichroic Nanocomposite (Lycurgus cup)/Vittorio Saggiomo

この色の違いは、反射光と透過光の違いによってもたらされます。

リカーガスカップはガラスの中に、金と銀のナノ粒子が含まれていて、このナノ粒子が反射による見え方と、透過による見え方を違ったものにするのです。

この金のナノ粒子をランダムに配置した場合、光はプラズモンという効果によって吸収され真っ黒になってしまいます。これは個体内の電界が光と結合することで吸収しているのですが、今回の研究者たちは、この吸収層の下に鏡を配置し透明な空洞を作り出しました。

実験の図。対角上に厚さを変化させることで、様々な色彩が生まれている。/Credit:Nature Communications(2020)。DOI:10.1038 / s41467-020-15349-y

この空洞は、光の粒子を内部に閉じ込めることができます。捕らわれた光子は、空洞内で波として振る舞い様々な周波数で共鳴します。これは空洞の厚さに応じて、異なる波長で放出されたのです。

上の図は斜めに厚さを変化させて作った今回の表面材料で、黒から始まって虹色に変化して輝いていることが示されています。

この技法を使用することにより、チームは中国の水彩画を着色することなく再現することに成功しました。

左がサンプルとした水墨画。右が構造色で再現された画像。/Credit: Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15349-y

右が、着色無しで再現された絵です。若干ぎこちない色合いにも思えますが、絵が再現できるというのは大きな成果です。

研究者の一人、チャン教授は「自然が色を作り出す様々な方法は本当に魅力的です。もし私たちがそれらの方法を効果的に利用できるなら、これまでに見たことのない豊かで鮮やかな色を発見できるかもしれない」と語っています。

構造発色は、通常の塗料と異なり、化学的な汚染の心配もなく、また自らが発光しているような独特の鮮やかな色合いを生み出します。

これが実用的な技術へ進化していけば、現在とはまた違った、鮮やかな色彩の世界が作り出されるかもしれません。

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