無須“著墨” 繪就萬千

我科學(xué)家團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)“飛秒激光無墨彩打”關(guān)鍵技術(shù)突破

光明日?qǐng)?bào)記者 晉浩天 光明日?qǐng)?bào)通訊員 徐 珊

(相關(guān)資料圖)

直徑2英寸，手感輕如蟬翼；圖案包含13種色彩，未用到一滴油墨；肉眼色彩飽滿，也將持久閃耀……去年夏天，當(dāng)每一位西湖大學(xué)首屆本科生打開錄取通知書禮盒時(shí)，都會(huì)留意到這幅別致的“科學(xué)見面禮”晶圓片小畫。

而事實(shí)上，半年前的這次登場(chǎng)，僅僅是科學(xué)家們牛刀初試的作品。近日，這項(xiàng)技術(shù)終于完整問世——西湖大學(xué)仇旻團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然通訊》以《激光快速直寫結(jié)構(gòu)色實(shí)現(xiàn)全色彩無油墨打印》為題解密相關(guān)工作，他們用由氮化鈦和氮化鋁鈦這兩種超硬陶瓷材料組成的復(fù)合薄膜作為特殊“紙張”，在其表面利用超快激光進(jìn)行微納加工，實(shí)現(xiàn)“飛秒激光無墨彩打”，為激光無油墨彩色打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供新思路。

“偷師”大自然：結(jié)構(gòu)色應(yīng)用于無墨打印

“打印機(jī)是環(huán)境污染的重要來源之一。有研究表明，在一個(gè)密閉的房間內(nèi)，當(dāng)打印機(jī)工作時(shí)，空氣中懸浮微粒的數(shù)量會(huì)比平時(shí)高5倍。”仇旻介紹。

如何擺脫“有墨”？人類又一次向大自然“偷師”。

你還記得，近距離欣賞蝴蝶或昆蟲的彩色翅膀，或者觀察鳥類多彩羽毛的時(shí)候嗎？你以為它們絢麗的色彩源于體內(nèi)的色素（化學(xué)色），但實(shí)際上，這是結(jié)構(gòu)色（物理色）的杰作。當(dāng)光照射在細(xì)微處大量有序結(jié)構(gòu)上，會(huì)發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉等反應(yīng)，由此就會(huì)產(chǎn)生顏色，這個(gè)過程其實(shí)并沒有用到“顏料”。

那么，我們是否可以效仿大自然，把結(jié)構(gòu)色應(yīng)用在無墨打印上？

科學(xué)家們進(jìn)行了大膽嘗試——利用超快激光在材料表面制造微納結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的方案，即超快激光彩色打印技術(shù)。在這種技術(shù)中，激光是“筆”。比如，你身邊各類傳統(tǒng)的防偽碼紙面，就是應(yīng)用了激光誘導(dǎo)自組織納米光柵產(chǎn)生的彩虹色，它在防偽方面有一定的應(yīng)用價(jià)值，但不能產(chǎn)生指定顏色的圖案。也就是說，盡管科學(xué)家們進(jìn)行了各種探索和嘗試，但或多或少都存在“缺憾”。如何拓寬超快激光彩色打印的色域，并實(shí)現(xiàn)顏色不隨觀察角度變化，成為當(dāng)前激光著色技術(shù)研究需突破的關(guān)鍵問題。

過去一年來，西湖大學(xué)納米光子學(xué)與儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究人員創(chuàng)新性地提出利用超快激光加工陶瓷復(fù)合陶瓷薄膜，在超快激光彩色打印技術(shù)上實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性突破。

該項(xiàng)技術(shù)的核心首先在于他們發(fā)明了一種新穎的“紙”——厚度不過約110納米，僅為頭發(fā)絲的千分之一。仇旻介紹，這種“紙”分為三層：研究人員在單晶硅襯底上先后鍍50納米的氮化鈦和60納米的氮化鋁鈦，由于氮化鈦和氮化鋁鈦的硬度較大，它們被稱為陶瓷材料。第一層，也就是自上而下的最底層，是呈金屬性的氮化鈦，它將作為光的反射層——作用是阻擋光線穿透，并增加亮度。第二層，是高損耗的氮化鋁鈦電介質(zhì)，將調(diào)控對(duì)自然光的吸收。第三層，是最頂層的氧化鋁——當(dāng)超快激光作用于氮化鋁鈦表面，會(huì)額外形成一層以氧化鋁為主的透明薄膜，它將和氮化鋁鈦一起，調(diào)控所吸收的自然光。

同時(shí)，仇旻團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“筆”的另一種用法——激光不再直接在物品表面創(chuàng)造結(jié)構(gòu)，而是將在陶瓷薄膜紙上進(jìn)行“雕刻”。激光將投在薄膜上，通過控制入射激光的能量或掃描速度，便可同時(shí)改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦膜的厚度；在厚度改變后，入射的自然光將通過三層膜結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜干涉效應(yīng)，形成特定的反射顏色。豐富多彩的顏色就此成型。

隨后，研究人員利用多種技術(shù)手段如能量色散X射線、X射線衍射等對(duì)激光著色的區(qū)域進(jìn)行材料分析，證實(shí)觀察到的色彩來自激光誘導(dǎo)形成的氧化層。他們研發(fā)的“紙”與“筆”，終于實(shí)現(xiàn)了理想中的激光彩色無墨打印。

呈現(xiàn)世界：多彩、高效、歷久彌新

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用氮化鈦和氮化鋁鈦?zhàn)龀傻摹疤厥饧垙垺保梢詫?shí)現(xiàn)高速、高分辨、寬色域、大尺寸、觀察角度不敏感、抗老化的全彩色無油墨激光打印。

比如寬色域。目前，仇旻實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的“飛秒激光無墨彩打”技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)了接近90%的RGB標(biāo)準(zhǔn)顏色系統(tǒng)，遠(yuǎn)超當(dāng)前主流的激光著色技術(shù)。研究人員解釋道，與此前的“激光誘導(dǎo)不銹鋼表面形成氧化薄膜”傳統(tǒng)激光著色方案相比，他們的激光誘導(dǎo)復(fù)合薄膜氧化，將可同時(shí)改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦膜的厚度，多了一個(gè)自由度，從而獲得了更寬的色域。

比如高速、高分辨。該技術(shù)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度和高分辨的全彩色無油墨打印。這意味著一張A4紙張，可以在1分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)全彩色的打印。在打印分辨率方面，研究人員展示了10000dpi的彩色打印，超出傳統(tǒng)油墨打印的最高分辨率10倍以上。

比如色彩“歷久彌新”。研究人員進(jìn)行了一系列破壞性實(shí)驗(yàn)，但“飛秒激光無墨彩打”作品仍然“歷久彌新”。這是因?yàn)榈X鈦表面形成的致密氧化鋁膜，起到了很好的防護(hù)層作用。經(jīng)過一系列國家標(biāo)準(zhǔn)的抗老化測(cè)試，研究人員進(jìn)一步證實(shí)激光在氮化鋁鈦上誘導(dǎo)形成的顏色色差仍小于7，完全符合工業(yè)化應(yīng)用的需求。

《光明日?qǐng)?bào)》（ 2023年02月12日?04版）

關(guān)鍵詞： 西湖大學(xué)