為什么有些藝術(shù)品不會褪色？

原標(biāo)題:《學(xué)物理能讓我們永遠年輕嗎。》

對大多數(shù)男孩和女孩來說，

許多人一定希望，

長時間保持年輕，帥氣，漂亮。

與此同時，

在人類漫長的歷史中，

也創(chuàng)作了許多藝術(shù)作品..

對于人類來說，

似乎不可能永遠保持年輕，

但是對于藝術(shù)作品來說，

也許可以是美好的，永久的。

藝術(shù)中的美麗色彩

其實很多藝術(shù)品是不能長久保存的比如油畫中的顏料，粘合劑，由于光線，濕度，溫度波動，必然會發(fā)生降解藝術(shù)家混合不相容的顏料也會使顏料伴隨著時間的推移變得不穩(wěn)定顏色退化的具體機理在之前的文章《褪色方法的回報》中已經(jīng)有詳細(xì)描述

但是古代藝術(shù)家也創(chuàng)造了一些不會褪色的藝術(shù)品。

公元4世紀(jì)，古羅馬玻璃工匠制作了一種神奇的酒杯:當(dāng)光線從玻璃正面照射時，玻璃呈現(xiàn)綠色，當(dāng)光線從玻璃背面透射時，玻璃呈現(xiàn)紅色。

到了現(xiàn)代，科學(xué)家們通過分析發(fā)現(xiàn)，這種酒杯的玻璃中融入了金，銀等金屬顆粒，直徑約為50納米，使得吸收藍光，綠光等短波長光成為可能所以呈現(xiàn)出奇特的雙色效果

同時，在中世紀(jì)，使用金銀顆粒混合溶膠進行裝飾的方法早已被稱為潮流例如，巴黎圣禮拜堂的彩色玻璃也含有納米金屬顆粒

這些明亮的彩色光也來自這些納米粒子對太陽光的散射和吸收。

此外，大約500年前，藝術(shù)家們用華麗的金葉裝飾了西班牙的阿爾罕布拉宮。

經(jīng)過幾個世紀(jì)的磨損，人們發(fā)現(xiàn)惰性黃金上出現(xiàn)紫色斑點，這是普通損傷機制難以理解的。

現(xiàn)代科學(xué)家利用掃描電子顯微鏡，X射線衍射和拉曼光譜在鍍金區(qū)域發(fā)現(xiàn)了直徑為70納米的金屬金顆粒。

這些納米粒子在Au—Pt表面產(chǎn)生局部等離子體激元振蕩，與入射的可見光反應(yīng)呈現(xiàn)紫色。

這些金納米顆粒是由磨損的金和鉑，銀雜質(zhì)，飾品中的錫層和西班牙沿海格拉納達潮濕含氯的空氣氧化，還原，溶解和沉積而成的。

我們可以發(fā)現(xiàn)，這些藝術(shù)品奇特的色彩特征，都是因為納米級金屬顆粒的存在。

納米顆粒的作用是在物體表面形成局部表面等離子體共振共振產(chǎn)生三種效應(yīng):光子吸收，光子散射和光電場增強，其中前兩種效應(yīng)決定了金屬納米顆粒的顏色

那么什么是局域表面等離子體共振呢。

第二部分浪漫的集體振蕩

看到這么長的名字可能會讓很多朋友暈這不是一個科學(xué)家們努力想讓自己看起來很高的名字

這些單詞中的每一個都有特定的物理內(nèi)涵我們一步一步來看

1.胞質(zhì)基因

金屬中有自由電子，也就是說每個原子中的一部分外層電子可以不受原子核的束縛在空間自由運動自由電子均勻分布在金屬空間，這就是自由電子氣模型

金屬中均勻分布的自由電子

與電子的相互作用是庫侖相互作用。

我們可以想象一下，如果其中一個電子運動，這個電子和其他電子之間的距離就會發(fā)生變化，從而改變庫侖力的大小和方向，這樣其他電子也會運動。

因此，由于電子之間的相互作用，電子在固體中的運動往往是一種集體效應(yīng)。

我們也知道光是一種交變電磁場當(dāng)交流電場作用于自由電子時，電子的運動可以用經(jīng)典物理中的阻尼受迫振動來理解

通過求解受迫振動方程，我們可以得到一個自由電子的固有振動頻率，稱為等離子體頻率金屬中自由電子的集體運動稱為等離子體振蕩或等離子體激元

當(dāng)入射光頻率與等離子體頻率相等時，發(fā)生等離子體共振，對應(yīng)的金屬介電常數(shù)為0。

從表中可以發(fā)現(xiàn)，金屬等離子體頻率對應(yīng)的光波波長大約在紫外波段只有當(dāng)入射光的頻率等于或大于等離子體頻率時，金屬才能吸收光子，即光不能透過金屬

所以我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降慕饘伲梢院芎玫姆瓷浯蟛糠挚梢姽猓@也是很多金屬表面呈現(xiàn)亮白色的原因。

表面等離子體激元是指電磁波與金屬表面的自由電子強烈耦合，在金屬表面形成集體振蕩的現(xiàn)象。

如前所述，金屬一般對波長較低的電磁波具有良好的反射率電磁波雖然不能穿透金屬，但仍能穿透金屬表面并衰減到一定深度，這種深度稱為電磁波的趨膚深度

因此，金屬表面上的等離子體激元可以沿著表面方向傳播，并且在垂直于表面的方向上衰減。

電磁波在金屬表面的趨膚深度一般在幾十納米的量級。

試想一下，如果把一大塊金屬換成納米級的微小顆粒，其尺寸小于電磁波的趨膚深度，那么表面等離子體的傳播就會受到限制。

也就是說，電磁波與自由電子的耦合過程只能發(fā)生在納米尺度的這個狹小區(qū)域這就是局部性的概念

當(dāng)入射光照射在遠小于其波長的金屬納米顆粒上時，在入射光電場的作用下，金屬納米顆粒中的自由電子會相對于其正離子中心發(fā)生位移。

因此，正負(fù)電荷累積在金屬納米顆粒表面的兩側(cè)，并且在內(nèi)部形成局部恢復(fù)電場。

自由電子在這個局部電場中集體振蕩這個過程就是局部表面等離子體振蕩

當(dāng)入射光的頻率等于集體振蕩的頻率時，就會發(fā)生共振，從而實現(xiàn)局域表面等離子體共振現(xiàn)象。

一般來說，對于同一種金屬，納米顆粒的大小和形狀，納米顆粒之間的距離或納米顆粒周圍的介電環(huán)境，入射光的角度等因素都會影響局域表面等離子體激元的共振波長。

局域等離子體共振不僅可以讓我們看到各種顏色，還可以幫助我們實現(xiàn)一種更強大的檢測方法:表面增強拉曼散射。

當(dāng)光線照射到物體上時，不僅會發(fā)生反射，透射和折射，還會與物質(zhì)中的粒子發(fā)生相互作用，發(fā)生散射。

在光與原子，分子散射的過程中，光電場使內(nèi)部正負(fù)電荷發(fā)生位移，形成偶極子或者光場直接與極性分子相互作用。

偶極子本身會有固有的振動頻率，光場會與這種振動耦合，從而改變波長。

耦合的具體過程是:

被吸收的光子從初始能級跳到虛能級，然后電子從虛能級回落到較低的能級。

如果電子的最終能級與初始能級相同，躍遷過程中發(fā)射的光子波長不會改變，這就意味著發(fā)生了瑞利散射。

如果電子的最終能級不同于初始能級，躍遷過程中發(fā)射的光子波長發(fā)生變化，波長變化量就是偶極子的振動頻率這個過程就是拉曼散射

原子和分子的光散射示意圖

拉曼散射可以分析物質(zhì)中化學(xué)鍵和晶格振動的特征，在生物，化學(xué)和材料等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

可是，拉曼散射的強度一般較低，這使得很難觀察到材料的拉曼光譜。

如前所述，在局域表面等離子體共振過程中，光子吸收和散射決定了金屬納米粒子的顏色，散射的光電場可以增強，這是表面增強拉曼散射的基礎(chǔ)。

表面增強拉曼散射的強度可以比普通拉曼散射強10萬到100萬倍，因此可以得到更廣泛的應(yīng)用。

比如監(jiān)測化學(xué)中的催化反應(yīng)過程和電子的轉(zhuǎn)移過程，實時操縱和檢測生物大分子的行為，檢測小生物組織的拉曼信號，納米材料的表征等。

標(biāo)簽

通過制造金屬納米粒子

可以使藝術(shù)品具有各種豐富多彩的顏色。

這些藝術(shù)作品的美，

從出生的那一刻起，就一直被冷凍著。

當(dāng)然，這是一件很酷的事情。

但是，

時間留下的刻痕，

也是一種美！

參考資料:

黃宇，表面等離子體近場成像的有限元模擬與分析，清華大學(xué)博士論文，2016。

榮川，固體光譜學(xué)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，第一版，2001。

邊亞杰，金屬納米結(jié)構(gòu)中分子熒光的局域表面等離子體激元調(diào)控，華東師范大學(xué)博士論文，2022。