光是人类认知最充实的能量存于情势之一，于数千年文明过程中，其自然属性被不停掘客，广泛运用在社会出产与成长实践。

如今，一场全新光学革命正于悄然发生：科学家最先像步伐员编写代码同样，自动把持光的流传路径、颜色、形态与作用方式，人类正式踏入“设计光”的时代。也许有一天，邪术世界中的“隐身大氅”真的会被带进实际。

——编者

于南美洲热带雨林，蓝闪蝶是极具辨识度的生灵。妖冶的阳光洒落于它的党羽上，马上会折射出刺眼醒目的金属蓝光泽。

恒久以来，人们默许世间万物的色采都源在色素。但是，当科学家带着好奇，将蓝闪蝶的党羽碾成细腻粉末时，一个倾覆认知的征象呈现了：原本亮眼的蓝色居然完全消散。这些粉末呈平庸的灰白色，没有一丝蓝色陈迹。假如颜色来自色素，那末即便党羽被碾碎，色素份子依然存于，蓝色为何会平空消散呢？

这一征象困扰了科学界数百年，答案终极于微不雅世界里被揭开。

借助高分辩率电子显微镜，科学家发明，蓝闪蝶党羽的外貌远非肉眼所见的平整平滑，而是密布着无数纳米级微型鳞片，它们摆列规整有序，形成为了繁杂且周详的微纳复合布局——当天然光照射于这些微不雅布局上时，光芒会发生反射、散射与光学干预干与等一系列物理效应，于布局的筛选下，终极进入人眼的只有纯粹的蓝光——这才是蓝闪蝶党羽出现蓝色的真正缘故原由。

因而可知，蓝闪蝶的蓝色是依赖微不雅布局“调控”出来的。这类不依靠化学色素、彻底由物理微不雅布局孕育发生的色采，被科学界定名为“布局色”。

放眼天然界，拥有布局色的生物触目皆是：雄孔雀尾羽上流光溢彩的眼状花纹、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，还有有部门深海生物、蜻蜓党羽的幻彩效果，素质都是布局色于阐扬作用。

这些生物可谓年夜天然最古老、最顶尖的光学工程师。亿万年来，它们依赖进化出的微纳光学布局，满意求偶、假装、警示天敌等保存需求。而人类直到近代才发明布局色的秘密，这为人类操控光芒打开了一扇全新年夜门。

“设计光”让光“违反常理”

于布局色道理被体系解读前，人类使用及节制光的方式始结局限于转变质料自己的框架内。数千年来，从古埃和青铜镜、古代中国的琉璃器物，到近代工业化出产的光学元件，人类一直依托质料固有的光学属性驾御光芒。

20世纪末，纳米科学与微纳加工技能迎来发作式成长，人类患上以深切纳米标准的微不雅世界。科学家从年夜量试验中总结出一个倾覆性结论：于决议物资光学机能方面，微不雅布局可能比质料组分越发主要。当人工组织的微不雅布局尺寸缩小到与可见光波长（数百纳米）相近时，这些微小布局就会变身成为一个小我私家工光学元件，根据人类的设计用意转变光的运动状况。

基在这一焦点思绪，一个跨时代的新观点应运而生——超质料。超质料并不是某种全新的化学合成质料，而是一类依赖人工设计、周详排布微纳布局，从而得到自然质料所不具有的非凡光学功效的质料系统。它的焦点思惟简便却极具革命性：不转变质料的化学身分，而是经由过程设计微不雅布局实现对于光芒的精准节制。假如说畴前人类只是“利用光”，那末此刻则正式开启了“设计光”的全新征程。

提到“设计光”，就不能不说起“人工原子”——超质料中最小的布局单位。它仅有纳米标准，却具有自力调控光芒的能力，可精准转变光波的振幅、相位、偏振标的目的以和流传路径。没关系想象一下制作一座都会：基础建材只是平凡砖块，只管每一块砖功效单一，但当无数砖块根据设计师的用意组合、重叠、摆列时，就能搭建出室第、桥梁、体育馆、摩天年夜楼等形态各别、功效差别的修建。超质料中的人工原子就犹如这些基础砖块，单小我私家工原子组织简朴，但当数百万、数十亿小我私家工原子根据预设法则有序摆列、协同事情时，超质料就会揭示出自然物资没法实现的光学举动。

依托精妙的微不雅布局设计，超质料可以或许实现一系列违反传统光学认知的奇奥效果：让特定波长的光芒绕过物体，实现局部“隐身”；让光芒朝着与通例标的目的相反的角度折射；让一块平整的薄片拥有传统曲面透镜的完备成像能力……这些看似反直觉的光学征象，都印证着超质料范畴的焦点理念：布局决议功效。

镜头比纸薄，色采“活”起来

于超质料的浩繁运用标的目的中，超透镜是当前落地潜力最年夜、最切近公共糊口的技能之一，它有望完全倾覆咱们熟知的镜头形态。如今用在智能手机、运动相机等装备的镜头模组年夜多向外突出，这是由于装备为了晋升成像清楚度与画质，需要搭载多片差别规格的玻璃透镜。不外，跟着AR眼镜、微型内窥镜、微型相机等装备的鼓起，传统镜头的过大要积日趋成为痛点。超透镜的呈现完全打破了这一枷锁束缚——一枚超透镜的总体厚度仅有几百纳米，比平凡纸张还有要薄上数十倍，却可以或许完备实现传统透镜的聚焦、成像等焦点功效。

超透镜的事情逻辑与传统透镜大相径庭：传统透镜依赖曲面形态折射光芒完成聚焦，而超透镜则依赖外貌数十亿个纳米布局单位一一调控入射光波的相位——每一个单位都是一枚微型光学元件，所有单位协同共同，就能将散射的光芒精准会聚到指定位置。这项技能一旦年夜范围财产化，将带来全方位厘革：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；卫星遥感相机也能年夜幅缩小体积，降低发射成本。

布局色的运用，则是超质料财产化进程最快的标的目的之一。传统颜料的色采来自化学份子，跟着时间推移，化学份子会逐渐老化、分化，这即是物品退色的底子缘故原由。同时，工业颜猜中常含有重金属等有害物资，于出产、利用及烧毁环节城市造成情况污染。布局色则完善规避了这些缺陷——它依托物理微不雅布局孕育发生色采，只要微纳布局不被粉碎，颜色就能永世连结。精心设计的微纳布局还有能出现出平凡颜料难以企和的高饱及度、高辨识度色采，视觉效果越发冷艳。

更具价值的是动态布局色。当外界情况发生变化，或者是报酬调控微不雅布局的尺寸与形态时，布局色的色调、亮度也会同步转变。这类可动态切换的特征，让布局色成为高端防伪范畴的抱负技能。将来，纸币、身份证、护照、高端艺术品、宝贵药品包装，均可搭载布局色防伪标识，构建起难以破解的安全防地。除了此以外，动态布局色还有可运用在智能变色面料、修建装饰涂层、新型显示屏幕等范畴，为传统财产带来全新进级。

人工智能的参与，将令人类“设计光”的能力迎来质的奔腾。于超质料的布局设计中，传统模式是“先做布局，再测机能”，这需要科研职员手动设定上百个参数，重复建造样品、测试调解，一套成熟布局往往泯灭数月甚至数年。如今，AI逆向设计成为主流思绪：研究职员只需输入详细功效需求，算法就会依托海量数据库与仿真模子，快速迭代优化，于短短几天内输出多套切合要求的微不雅布局设计图。

“光计较时代”将提速千百倍

于信息时代，电子技能已经成为整小我私家类社会的运转基石。手机、电脑、办事器、人工智能装备的焦点都是半导体芯片，芯片内部依赖电子的定向挪动完成运算、存储与信息传输。但颠末数十年的飞速成长，电子芯片已经逐渐触遇到物理极限：跟着制程不停缩小，电子运动孕育发生的功耗与发烧问题愈发严峻，量子隧穿等微不雅效应也最先滋扰芯片正常事情，经典电子计较的机能晋升速率正于放缓。

为冲破这一瓶颈，科学家将眼光投向了速率更快、潜力更年夜的光。光拥有三年夜自然上风：流传速率靠近宇宙极限，信息承载带宽远超电子，传输历程能耗极低。假如能用光替换电子负担计较与数据传输的焦点事情，有望完全打破传统芯片的机能镣铐。

超质料恰是实现“光计较”的要害载体——借助它精准调控光场、光路的能力，研究职员可以搭建全新的光学运算系统。最近几年来，全世界多个科研团队纷纷发力，基在超质料研发光学神经收集、光学计较芯片、全光人工智能体系。于这种新型装备中，超质料阵列卖力对于光束举行调控、分束、合束，光芒则取代电子完成数据运算与信息交互。

业内猜测，成熟的光学计较装备运行速率有望比当前顶尖电子芯片超出跨越数百倍甚至数千倍。将来的计较机将再也不依靠电子流，而是依赖光于微纳布局中的流传完成事情，一个全新的“光计较时代”正于酝酿。

（作者别离为中国科学院化学研究所博士、研究员）