为什么有些艺术品不会褪色？

原标题:《学物理能让我们永远年轻吗。》

对大多数男孩和女孩来说，

许多人一定希望，

长时间保持年轻，帅气，漂亮。

与此同时，

在人类漫长的历史中，

也创作了许多艺术作品..

对于人类来说，

似乎不可能永远保持年轻，

但是对于艺术作品来说，

也许可以是美好的，永久的。

艺术中的美丽色彩

其实很多艺术品是不能长久保存的比如油画中的颜料，粘合剂，由于光线，湿度，温度波动，必然会发生降解艺术家混合不相容的颜料也会使颜料伴随着时间的推移变得不稳定颜色退化的具体机理在之前的文章《褪色方法的回报》中已经有详细描述

但是古代艺术家也创造了一些不会褪色的艺术品。

公元4世纪，古罗马玻璃工匠制作了一种神奇的酒杯:当光线从玻璃正面照射时，玻璃呈现绿色，当光线从玻璃背面透射时，玻璃呈现红色。

到了现代，科学家们通过分析发现，这种酒杯的玻璃中融入了金，银等金属颗粒，直径约为50纳米，使得吸收蓝光，绿光等短波长光成为可能所以呈现出奇特的双色效果

同时，在中世纪，使用金银颗粒混合溶胶进行装饰的方法早已被称为潮流例如，巴黎圣礼拜堂的彩色玻璃也含有纳米金属颗粒

这些明亮的彩色光也来自这些纳米粒子对太阳光的散射和吸收。

此外，大约500年前，艺术家们用华丽的金叶装饰了西班牙的阿尔罕布拉宫。

经过几个世纪的磨损，人们发现惰性黄金上出现紫色斑点，这是普通损伤机制难以理解的。

现代科学家利用扫描电子显微镜，X射线衍射和拉曼光谱在镀金区域发现了直径为70纳米的金属金颗粒。

这些纳米粒子在Au—Pt表面产生局部等离子体激元振荡，与入射的可见光反应呈现紫色。

这些金纳米颗粒是由磨损的金和铂，银杂质，饰品中的锡层和西班牙沿海格拉纳达潮湿含氯的空气氧化，还原，溶解和沉积而成的。

我们可以发现，这些艺术品奇特的色彩特征，都是因为纳米级金属颗粒的存在。

纳米颗粒的作用是在物体表面形成局部表面等离子体共振共振产生三种效应:光子吸收，光子散射和光电场增强，其中前两种效应决定了金属纳米颗粒的颜色

那么什么是局域表面等离子体共振呢。

第二部分浪漫的集体振荡

看到这么长的名字可能会让很多朋友晕这不是一个科学家们努力想让自己看起来很高的名字

这些单词中的每一个都有特定的物理内涵我们一步一步来看

1.胞质基因

金属中有自由电子，也就是说每个原子中的一部分外层电子可以不受原子核的束缚在空间自由运动自由电子均匀分布在金属空间，这就是自由电子气模型

金属中均匀分布的自由电子

与电子的相互作用是库仑相互作用。

我们可以想象一下，如果其中一个电子运动，这个电子和其他电子之间的距离就会发生变化，从而改变库仑力的大小和方向，这样其他电子也会运动。

因此，由于电子之间的相互作用，电子在固体中的运动往往是一种集体效应。

我们也知道光是一种交变电磁场当交流电场作用于自由电子时，电子的运动可以用经典物理中的阻尼受迫振动来理解

通过求解受迫振动方程，我们可以得到一个自由电子的固有振动频率，称为等离子体频率金属中自由电子的集体运动称为等离子体振荡或等离子体激元

当入射光频率与等离子体频率相等时，发生等离子体共振，对应的金属介电常数为0。

从表中可以发现，金属等离子体频率对应的光波波长大约在紫外波段只有当入射光的频率等于或大于等离子体频率时，金属才能吸收光子，即光不能透过金属

所以我们日常生活中看到的金属，可以很好的反射大部分可见光，这也是很多金属表面呈现亮白色的原因。

表面等离子体激元是指电磁波与金属表面的自由电子强烈耦合，在金属表面形成集体振荡的现象。

如前所述，金属一般对波长较低的电磁波具有良好的反射率电磁波虽然不能穿透金属，但仍能穿透金属表面并衰减到一定深度，这种深度称为电磁波的趋肤深度

因此，金属表面上的等离子体激元可以沿着表面方向传播，并且在垂直于表面的方向上衰减。

电磁波在金属表面的趋肤深度一般在几十纳米的量级。

试想一下，如果把一大块金属换成纳米级的微小颗粒，其尺寸小于电磁波的趋肤深度，那么表面等离子体的传播就会受到限制。

也就是说，电磁波与自由电子的耦合过程只能发生在纳米尺度的这个狭小区域这就是局部性的概念

当入射光照射在远小于其波长的金属纳米颗粒上时，在入射光电场的作用下，金属纳米颗粒中的自由电子会相对于其正离子中心发生位移。

因此，正负电荷累积在金属纳米颗粒表面的两侧，并且在内部形成局部恢复电场。

自由电子在这个局部电场中集体振荡这个过程就是局部表面等离子体振荡

当入射光的频率等于集体振荡的频率时，就会发生共振，从而实现局域表面等离子体共振现象。

一般来说，对于同一种金属，纳米颗粒的大小和形状，纳米颗粒之间的距离或纳米颗粒周围的介电环境，入射光的角度等因素都会影响局域表面等离子体激元的共振波长。

局域等离子体共振不仅可以让我们看到各种颜色，还可以帮助我们实现一种更强大的检测方法:表面增强拉曼散射。

当光线照射到物体上时，不仅会发生反射，透射和折射，还会与物质中的粒子发生相互作用，发生散射。

在光与原子，分子散射的过程中，光电场使内部正负电荷发生位移，形成偶极子或者光场直接与极性分子相互作用。

偶极子本身会有固有的振动频率，光场会与这种振动耦合，从而改变波长。

耦合的具体过程是:

被吸收的光子从初始能级跳到虚能级，然后电子从虚能级回落到较低的能级。

如果电子的最终能级与初始能级相同，跃迁过程中发射的光子波长不会改变，这就意味着发生了瑞利散射。

如果电子的最终能级不同于初始能级，跃迁过程中发射的光子波长发生变化，波长变化量就是偶极子的振动频率这个过程就是拉曼散射

原子和分子的光散射示意图

拉曼散射可以分析物质中化学键和晶格振动的特征，在生物，化学和材料等领域发挥着重要作用。

可是，拉曼散射的强度一般较低，这使得很难观察到材料的拉曼光谱。

如前所述，在局域表面等离子体共振过程中，光子吸收和散射决定了金属纳米粒子的颜色，散射的光电场可以增强，这是表面增强拉曼散射的基础。

表面增强拉曼散射的强度可以比普通拉曼散射强10万到100万倍，因此可以得到更广泛的应用。

比如监测化学中的催化反应过程和电子的转移过程，实时操纵和检测生物大分子的行为，检测小生物组织的拉曼信号，纳米材料的表征等。

标签

通过制造金属纳米粒子

可以使艺术品具有各种丰富多彩的颜色。

这些艺术作品的美，

从出生的那一刻起，就一直被冷冻着。

当然，这是一件很酷的事情。

但是，

时间留下的刻痕，

也是一种美！

参考资料:

黄宇，表面等离子体近场成像的有限元模拟与分析，清华大学博士论文，2016。

荣川，固体光谱学，中国科学技术大学出版社，第一版，2001。

边亚杰，金属纳米结构中分子荧光的局域表面等离子体激元调控，华东师范大学博士论文，2022。

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