宏观世界的蓝闪蝶
在南美洲热带雨林，蓝闪蝶是极具辨识度的生灵。明媚的阳光洒落在它的翅膀上，立刻会折射出耀眼夺目的金属蓝光泽。
长久以来，人们默认世间万物的色彩都源于色素。可是，当科学家带着好奇，将蓝闪蝶的翅膀碾成细腻粉末时，一个颠覆认知的现象出现了：原本亮眼的蓝色竟然彻底消失。这些粉末呈平淡的灰白色，没有一丝蓝色痕迹。如果颜色来自色素，那么即便翅膀被碾碎，色素分子依然存在，蓝色为什么会凭空消失呢？
这一现象困扰了科学界数百年，谜底最终在微观世界里被揭开。
借助高分辨率电子显微镜，科学家发现，蓝闪蝶翅膀的表面远非肉眼所见的平整光滑，而是密布着无数纳米级微型鳞片，它们排列规整有序，形成了复杂且精密的微纳复合结构——当自然光照射在这些微观结构上时，光线会发生反射、散射与光学干涉等一系列物理效应，在结构的筛选下，最终进入人眼的只有纯粹的蓝光——这才是蓝闪蝶翅膀呈现蓝色的真正原因。
蓝闪蝶翅膀的微观纳米结构（《自然-光子学》2007年）
由此可见，蓝闪蝶的蓝色是依靠微观结构“调控”出来的。这种不依赖化学色素、完全由物理微观结构产生的色彩，被科学界命名为“结构色”。
放眼自然界，拥有结构色的生物比比皆是：雄孔雀尾羽上流光溢彩的眼状斑纹、甲虫外壳的金属光泽、珍珠母贝温润多变的虹彩、蜂鸟颈部绚烂的金属色羽毛，还有部分深海生物、蜻蜓翅膀的幻彩效果，本质都是结构色在发挥作用。
这些生物堪称大自然最古老、最顶尖的光学工程师。亿万年来，它们依靠进化出的微纳光学结构，满足求偶、伪装、警示天敌等生存需求。而人类直到近代才发现结构色的奥秘，这为人类操控光线打开了一扇全新大门。
“设计光”让光“违背常理”
在结构色原理被系统解读前，人类利用和控制光的方式始终局限在改变材料本身的框架内。数千年来，从古埃及青铜镜、古代中国的琉璃器物，到近代工业化生产的光学元件，人类一直依托材料固有的光学属性驾驭光线。
20世纪末，纳米科学与微纳加工技术迎来爆发式发展，人类得以深入纳米尺度的微观世界。科学家从大量实验中总结出一个颠覆性结论：在决定物质光学性能方面，微观结构可能比材料组分更加重要。当人工构造的微观结构尺寸缩小到与可见光波长（数百纳米）相近时，这些微小结构就会变身成为一个个人工光学元件，按照人类的设计意图改变光的运动状态。
基于这一核心思路，一个跨时代的新概念应运而生——超材料。超材料并非某种全新的化学合成材料，而是一类依靠人工设计、精密排布微纳结构，从而获得天然材料所不具备的特殊光学功能的材料体系。它的核心思想简洁却极具革命性：不改变材料的化学成分，而是通过设计微观结构实现对光线的精准控制。如果说从前人类只是“使用光”，那么现在则正式开启了“设计光”的全新征程。
提到“设计光”，就不得不提及“人工原子”——超材料中最小的结构单元。它仅有纳米尺度，却具备独立调控光线的能力，可精准改变光波的振幅、相位、偏振方向以及传播路径。不妨想象一下建造一座城市：基础建材只是普通砖块，尽管每块砖功能单一，但当无数砖块按照设计师的意图组合、堆叠、排列时，就能搭建出住宅、桥梁、体育馆、摩天大楼等形态各异、功能不同的建筑。超材料中的人工原子就如同这些基础砖块，单个人工原子构造简单，但当数百万、数十亿个人工原子按照预设规则有序排列、协同工作时，超材料就会展现出天然物质无法实现的光学行为。
电磁隐身斗篷（《自然-光子学》2020年）
依托精妙的微观结构设计，超材料能够实现一系列违背传统光学认知的奇妙效果：让特定波长的光线绕过物体，实现局部“隐身”；让光线朝着与常规方向相反的角度折射；让一块平整的薄片拥有传统曲面透镜的完整成像能力……这些看似反直觉的光学现象，都印证着超材料领域的核心理念：结构决定功能。
镜头比纸薄，色彩“活”起来
在超材料的众多应用方向中，超透镜是当前落地潜力最大、最贴近大众生活的技术之一，它有望彻底颠覆我们熟知的镜头形态。如今用于智能手机、运动相机等设备的镜头模组大多向外凸起，这是因为设备为了提升成像清晰度与画质，需要搭载多片不同规格的玻璃透镜。不过，随着AR眼镜、微型内窥镜、卫星微型相机等设备的兴起，传统镜头的过大体积日益成为痛点。超透镜的出现彻底打破了这一桎梏——一枚超透镜的整体厚度仅有几百纳米，比普通纸张还要薄上数十倍，却能够完整实现传统透镜的聚焦、成像等核心功能。
超透镜结构的微观图像（《自然》2026年）
超透镜的工作逻辑与传统透镜截然不同：传统透镜依靠曲面形态折射光线完成聚焦，而超透镜则依靠表面数十亿个纳米结构单元逐一调控入射光波的相位——每个单元都是一枚微型光学元件，所有单元协同配合，就能将散射的光线精准汇聚到指定位置。这项技术一旦大规模产业化，将带来全方位变革：智能手机机身可以做到极致平整轻薄；医疗微型内窥镜能搭载更小的成像镜头，实现人体更深部位的无创检测；卫星遥感相机也能大幅缩小体积，降低发射成本。
结构色的应用，则是超材料产业化进程最快的方向之一。传统颜料的色彩来自化学分子，随着时间推移，化学分子会逐渐老化、分解，这便是物品褪色的根本原因。同时，工业颜料中常含有重金属等有害物质，在生产、使用和废弃环节都会造成环境污染。结构色则完美规避了这些缺陷——它依托物理微观结构产生色彩，只要微纳结构不被破坏，颜色就能永久保持。精心设计的微纳结构还能呈现出普通颜料难以企及的高饱和度、高辨识度色彩，视觉效果更加惊艳。
利用物理结构色打印出的多功能全彩纳米绘画（《自然-纳米技术》2023年）
更具价值的是动态结构色。当外界环境发生变化，或是人为调控微观结构的尺寸与形态时，结构色的色调、亮度也会同步改变。这种可动态切换的特性，让结构色成为高端防伪领域的理想技术。未来，纸币、身份证、护照、高端艺术品、名贵药品包装，都可搭载结构色防伪标识，构建起难以破解的安全防线。除此之外，动态结构色还可应用于智能变色面料、建筑装饰涂层、新型显示屏幕等领域，为传统产业带来全新升级。
人工智能的介入，将使人类“设计光”的能力迎来质的飞跃。在超材料的结构设计中，传统模式是“先做结构，再测性能”，这需要科研人员手动设定上百个参数，反复制作样品、测试调整，一套成熟结构往往耗费数月甚至数年。如今，AI逆向设计成为主流思路：研究人员只需输入具体功能需求，算法就会依托海量数据库与仿真模型，快速迭代优化，在短短几天内输出多套符合要求的微观结构设计图。
“光计算时代”将提速千百倍
在信息时代，电子技术已成为整个人类社会的运转基石。手机、电脑、服务器、人工智能设备的核心都是半导体芯片，芯片内部依靠电子的定向移动完成运算、存储与信息传输。但经过数十年的飞速发展，电子芯片已逐渐触碰到物理极限：随着制程不断缩小，电子运动产生的功耗与发热问题愈发严重，量子隧穿等微观效应也开始干扰芯片正常工作，经典电子计算的性能提升速度正在放缓。
为突破这一瓶颈，科学家将目光投向了速度更快、潜力更大的光。光拥有三大天然优势：传播速度接近宇宙极限，信息承载带宽远超电子，传输过程能耗极低。如果能用光替代电子承担计算与数据传输的核心工作，有望彻底打破传统芯片的性能枷锁。
超材料正是实现“光计算”的关键载体——借助它精准调控光场、光路的能力，研究人员可以搭建全新的光学运算体系。近年来，全球多个科研团队纷纷发力，基于超材料研发光学神经网络、光学计算芯片、全光人工智能系统。在这类新型设备中，超材料阵列负责对光束进行调控、分束、合束，光线则代替电子完成数据运算与信息交互。
业内预测，成熟的光学计算设备运行速度有望比当前顶尖电子芯片高出数百倍甚至数千倍。未来的计算机将不再依赖电子流，而是依靠光在微纳结构中的传播完成工作，一个全新的“光计算时代”正在酝酿。
（作者分别为中国科学院化学研究所博士、研究员）
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