原標(biāo)題:《學(xué)物理能讓我們永遠(yuǎn)年輕嗎?！?/p>

對(duì)大多數(shù)男孩和女孩來(lái)說(shuō)，

許多人一定希望，

長(zhǎng)時(shí)間保持年輕，帥氣，漂亮。

與此同時(shí)，

在人類漫長(zhǎng)的歷史中，

也創(chuàng)作了許多藝術(shù)作品..

對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，

似乎不可能永遠(yuǎn)保持年輕，

但是對(duì)于藝術(shù)作品來(lái)說(shuō)，

也許可以是美好的，永久的。

藝術(shù)中的美麗色彩

其實(shí)很多藝術(shù)品是不能長(zhǎng)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(dòng)，必然會(huì)發(fā)生降解藝術(shù)家混合不相容的顏料也會(huì)使顏料伴隨著時(shí)間的推移變得不穩(wěn)定顏色退化的具體機(jī)理在之前的文章《褪色方法的回報(bào)》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(huì)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(shí)，玻璃呈現(xiàn)綠色，當(dāng)光線從玻璃背面透射時(shí)，玻璃呈現(xiàn)紅色。

到了現(xiàn)代，科學(xué)家們通過(guò)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(lán)光，綠光等短波長(zhǎng)光成為可能所以呈現(xiàn)出奇特的雙色效果

同時(shí)，在中世紀(jì)，使用金銀顆?；旌先苣z進(jìn)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(lái)自這些納米粒子對(duì)太陽(yáng)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(guò)幾個(gè)世紀(jì)的磨損，人們發(fā)現(xiàn)惰性黃金上出現(xiàn)紫色斑點(diǎn)，這是普通損傷機(jī)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(dá)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?yàn)榧{米級(jí)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(chǎng)增強(qiáng)，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(zhǎng)的名字可能會(huì)讓很多朋友暈這不是一個(gè)科學(xué)家們努力想讓自己看起來(lái)很高的名字

這些單詞中的每一個(gè)都有特定的物理內(nèi)涵我們一步一步來(lái)看

1.胞質(zhì)基因

金屬中有自由電子，也就是說(shuō)每個(gè)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(yùn)動(dòng)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(kù)侖相互作用。

我們可以想象一下，如果其中一個(gè)電子運(yùn)動(dòng)，這個(gè)電子和其他電子之間的距離就會(huì)發(fā)生變化，從而改變庫(kù)侖力的大小和方向，這樣其他電子也會(huì)運(yùn)動(dòng)。

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

我們也知道光是一種交變電磁場(chǎng)當(dāng)交流電場(chǎng)作用于自由電子時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)可以用經(jīng)典物理中的阻尼受迫振動(dòng)來(lái)理解

通過(guò)求解受迫振動(dòng)方程，我們可以得到一個(gè)自由電子的固有振動(dòng)頻率，稱為等離子體頻率金屬中自由電子的集體運(yùn)動(dòng)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(shí)，發(fā)生等離子體共振，對(duì)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(duì)應(yīng)的光波波長(zhǎng)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(shí)，金屬才能吸收光子，即光不能透過(guò)金屬

所以我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降慕饘?，可以很好的反射大部分可見光，這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(qiáng)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(duì)波長(zhǎng)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(jí)。

試想一下，如果把一大塊金屬換成納米級(jí)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(huì)受到限制。

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

當(dāng)入射光照射在遠(yuǎn)小于其波長(zhǎng)的金屬納米顆粒上時(shí)，在入射光電場(chǎng)的作用下，金屬納米顆粒中的自由電子會(huì)相對(duì)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(chǎng)。

自由電子在這個(gè)局部電場(chǎng)中集體振蕩這個(gè)過(guò)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(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，從而實(shí)現(xiàn)局域表面等離子體共振現(xiàn)象。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)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(huì)影響局域表面等離子體激元的共振波長(zhǎng)。

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(shí)現(xiàn)一種更強(qiáng)大的檢測(cè)方法:表面增強(qiáng)拉曼散射。

當(dāng)光線照射到物體上時(shí)，不僅會(huì)發(fā)生反射，透射和折射，還會(huì)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(guò)程中，光電場(chǎng)使內(nèi)部正負(fù)電荷發(fā)生位移，形成偶極子或者光場(chǎng)直接與極性分子相互作用。

偶極子本身會(huì)有固有的振動(dòng)頻率，光場(chǎng)會(huì)與這種振動(dòng)耦合，從而改變波長(zhǎng)。

耦合的具體過(guò)程是:

被吸收的光子從初始能級(jí)跳到虛能級(jí)，然后電子從虛能級(jí)回落到較低的能級(jí)。

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

如果電子的最終能級(jí)不同于初始能級(jí)，躍遷過(guò)程中發(fā)射的光子波長(zhǎng)發(fā)生變化，波長(zhǎng)變化量就是偶極子的振動(dòng)頻率這個(gè)過(guò)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(dòng)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(qiáng)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(guò)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(chǎng)可以增強(qiáng)，這是表面增強(qiáng)拉曼散射的基礎(chǔ)。

表面增強(qiáng)拉曼散射的強(qiáng)度可以比普通拉曼散射強(qiáng)10萬(wàn)到100萬(wàn)倍，因此可以得到更廣泛的應(yīng)用。

比如監(jiān)測(cè)化學(xué)中的催化反應(yīng)過(guò)程和電子的轉(zhuǎn)移過(guò)程，實(shí)時(shí)操縱和檢測(cè)生物大分子的行為，檢測(cè)小生物組織的拉曼信號(hào)，納米材料的表征等。

標(biāo)簽

通過(guò)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(shí)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(chǎng)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(guó)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。