この小さな「真珠の耳飾りの少女」の複製は光で「描かれている」

科学者たちは、特定の色の光を特定の強度で透過できる微小な「ナノピラー」を作製した。これは、光通信の改良や紙幣の偽造防止対策への応用が期待される。研究チームは概念実証として、オランダの巨匠ヨハネス・フェルメールの名画『 真珠の耳飾りの少女』を、顔料ではなく光で描いたデジタル複製を試みた。この研究成果は、Optica誌に最近掲載された論文で発表された。

「微妙な色のグラデーションや影のディテールまで捉えた再現の質は、まさに驚異的です」と、共同執筆者で国立科学技術研究所（NIST）の研究員アミット・アグラワル氏は述べた。「この作品は、芸術とナノテクノロジーの分野を非常にエレガントに繋ぐものです。」

自然界には構造色の例が豊富に存在します。例えば、蝶の羽の鮮やかな色は色素分子ではなく、羽の構造に由来しています。キチン（昆虫によく見られる多糖類）の鱗粉は、屋根瓦のように並んでいます。これらは本質的に回折格子を形成しますが、フォトニック結晶は特定の色、つまり特定の波長の光しか生成しないのに対し、回折格子はプリズムのようにスペクトル全体を生成できます。 

科学者たちは、ナノ構造の寸法を微調整するだけで構造色を生成できるナノファブリケーション技術を用いて、自然現象を模倣しようと試みてきました。しかし、このような「メタサーフェス」が生成する色の明るさは一定であり、芸術界で「キアロスクーロ」として知られる光と影の複雑な相互作用を実現するために明るさを調整することはできません。

ナノピラーは、下部の柱から尖った上部へと細くなる独特な形状を持つナノ構造の一種です。ナノピラーをアレイ状に集積することで、少ない材料で最大99%の光エネルギーを捕捉できる優れた手段となり、太陽光パネル製造の有望な代替手段となっています。また、セミの羽根にある同様の形状の小さな棒が細菌の細胞膜を破って殺菌するのと同様に、ナノピラーは抗菌表面の形成にも利用できます。

ナノピラーは構造色を生成するためにも使用できます。例えば、科学者たちはこれまでに、ナノピラーアレイに白色光を照射し、ナノピラーのサイズ（幅）を変えるだけで、特定の色（赤、青、緑の光）を生成することに成功しています。しかし、著者らは、これらのアレイは鮮やかな色を生成できるものの、生成される色の明るさ（または強度）は固定されており、「調整」できないと指摘しています。明るさのレベルを変えることは、画像の明暗を再現する鍵となります。「色の明るさを調整することで、生成される影のレンダリング効果によって、より強い空間感覚と立体感を持つ画像を作り出すことができます」と著者らは述べています。

メタサーフェスアレイに液晶やエレクトロクロミックポリマーを添加することで輝度を制御することは可能ですが、その制御は可視スペクトル全域に及ぶわけではありません。また、複雑な電子構造が必要となるため、このようなメタサーフェスを実用化することは困難です。

NISTチームのナノピラーは、これらの問題の多く、特に調整可能性の問題に対処しています。チームはガラススライド上に二酸化チタンナノピラーを作製しました。断面は円形ではなく楕円形にすることで、直径は均一ではなく、長軸と短軸を持つようにしました。入射する白色光の偏光に合わせて長軸の配置を変え、さらにガラススライドの裏側に特殊な偏光フィルターを配置することで、ナノピラーを透過する光の強度を調整することが可能になりました。

原理的には、偏光サングラスとほぼ同じ仕組みです。偏光の回転角度が大きいほど、透過光の強度が増します。これにより、科学者たちは可視スペクトル全体にわたって色と明るさの両方を制御することができました。

リスト画像: T. Xu/南京大学