京都大學(xué)研究人員借助應(yīng)力控制實現(xiàn)無墨彩色印刷

據(jù)報道，日本京都大學(xué)的一個研究小組開發(fā)了一種新方法，他們利用光學(xué)駐波設(shè)計，控制和組織了塑料薄膜內(nèi)的應(yīng)力場，進而得到和應(yīng)力場相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)色，最后他們基于該方法創(chuàng)建了一幅高分辨率圖像（Nature，doi：10.1038 / s41586-019-1299-8）。據(jù)報道，研究人員認為這種新穎的印刷方法可以在不含墨水的情況下以14,000點/英寸（dpi）的分辨率創(chuàng)建圖像。該方法可以在從鈔票防偽到可穿戴生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等一系列應(yīng)用領(lǐng)域中找到一席之地。

通過在應(yīng)力聚合物薄膜中使用結(jié)構(gòu)色，京都大學(xué)的研究人員在沒有油墨的情況下打印出上面這張3毫米見方的維米爾（Vermeer）代表作——“戴珍珠耳環(huán)的女孩”

通過“銀紋（Crazing）”實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色

這個團隊研究的課題來源于塑料制品制作時出現(xiàn)的一個常見現(xiàn)象，這個現(xiàn)象就是“銀紋”。當(dāng)一塊塑料或塑料薄膜被拉伸或彎曲時，該聚合物結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力“熱點（Hot spot）”周圍會形成許多細小的裂縫，微腔和稱作微纖維的毛狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。從這些微小的應(yīng)力引起的缺陷中散射的光正是導(dǎo)致塑料呈乳白色的原因，例如，硬質(zhì)塑料片由于經(jīng)過反復(fù)彎曲而呈現(xiàn)乳白色。

京都大學(xué)由Easan Sivaniah領(lǐng)導(dǎo)的團隊認為，通過控制塑料薄膜中這些微小結(jié)構(gòu)的生長和交聯(lián)狀況，最終的顯色效果可以和目前不透明的乳白色完全不同。實際上研究人員可以基于這種和結(jié)構(gòu)色原理相同的方法將目標(biāo)區(qū)域設(shè)計成特定顏色。結(jié)構(gòu)色在自然中也存在，比如蝴蝶的翅膀借助結(jié)構(gòu)色現(xiàn)象呈現(xiàn)出各種不同的顏色，不過，結(jié)構(gòu)色不涉及油墨一樣顏料。相反，它的顏色源于可以對散射光形成干涉的納米結(jié)構(gòu)，例如蝴蝶翅膀中的鱗片結(jié)構(gòu)，或者受應(yīng)力擠壓的塑料片中的很小地微纖維結(jié)構(gòu)。

逐層的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了從這些想法中獲得具有實用價值的無墨彩色印刷方案，Sivaniah的團隊開始深入研究應(yīng)力誘導(dǎo)聚合物裂紋和微纖維結(jié)構(gòu)的物化機制。研究人員現(xiàn)在知道的是，當(dāng)塑料薄膜浸入諸如乙酸等弱溶劑中時，這些酸會滲透到塑料中，這足以在保證聚合物薄膜基本結(jié)構(gòu)完整的前提下加速局部空腔和微纖維的形成。將聚苯乙烯薄膜旋涂到硅晶片襯底上的實驗表明，隨著一層又一層的微纖維結(jié)構(gòu)先形成然后塌陷，這種薄膜的顏色會因為上述的效應(yīng)逐漸發(fā)生變化。

京都大學(xué)的這些研究人員對這一過程進行了深入的分析，以完全了解這些效應(yīng)發(fā)生的機制。他們以不同的時間步長，使用掃描電子顯微鏡對這一過程進行快照拍攝，以記錄溶劑滲透進聚合物結(jié)構(gòu)時這些微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。他們還使用光學(xué)傳遞矩陣和光譜學(xué)方法來分析了解這些結(jié)構(gòu)在微觀層面上的納米級變化是如何導(dǎo)致結(jié)構(gòu)顏色發(fā)生變化的。通過這些分析，他們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵機制在于，溶劑在塑料內(nèi)產(chǎn)生致密層和多孔層交替的周期性結(jié)構(gòu) - 其光學(xué)結(jié)果是形成駐波，駐波的干涉可以產(chǎn)生不同的顏色。

基于LED控制微結(jié)構(gòu)單元的形成

接下來，該團隊研究了如何從實際應(yīng)用角度控制這些微結(jié)構(gòu)單元的問題，進而借助這些微結(jié)構(gòu)對光的駐波干涉來形成所需顏色，這樣他們就可以創(chuàng)建出目標(biāo)圖像。研究人員在塑料薄膜的周圍使用了一排LED，這些LED可以在薄膜中形成不斷變化的應(yīng)力場?！斑@些不同層構(gòu)成的周期性就是一種駐波現(xiàn)象”，研究人員在研究中寫道，“因此我們可以通過交叉不同波長的光來改變這些駐波的干涉波長。”

在對聚苯乙烯薄膜進行化學(xué)調(diào)整以使其在280nm以下至405nm的波長范圍內(nèi)進行光敏化之后，研究人員接著將這種經(jīng)過乙酸處理的薄膜暴露在波長同樣在該范圍內(nèi)的許多LED中間。該團隊確認，通過以上對光敏薄膜的照明所引發(fā)的周期性交聯(lián)可以在塑料內(nèi)部形成應(yīng)力場。

通過重組微纖維結(jié)構(gòu)的幾何形狀，這些應(yīng)力反過來會使薄膜光譜中的布拉格峰移動以產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)顏色 - 隨著入射光波長的增加，這種波長的偏移量也會隨之增加。雖然目前最大的照射波長僅為405nm，但該技術(shù)理論上可用于形成整個400至700nm的可見光范圍內(nèi)的顏色。

京都大學(xué)研究人員關(guān)于該技術(shù)的一個展示 - 利用和蝴蝶翅膀形成顏色原理相同的結(jié)構(gòu)色現(xiàn)象 – 為1毫米見方的Katsushika Hokusai的“巨浪”圖像

一幅不使用墨水材料的“巨浪”圖像

通過使用計算機圖形軟件在投影膠片上制作一些蔭罩板（Shadow Masks）- 每個波長都使用不同的蔭罩板 – 該團隊能夠使用上述這些光觸發(fā)的，應(yīng)力誘導(dǎo)的變化（研究人員稱之為“有組織的應(yīng)力微纖維化”）在聚合物薄膜中制作出基于結(jié)構(gòu)色的圖像。通過這項技術(shù)，研究人員制作了一些精美的著名藝術(shù)品圖像，這些方形圖像的尺寸在毫米級，如Johannes Vermeer的“戴珍珠耳環(huán)的女孩”，達芬奇的“蒙娜麗莎”和葛飾北齋的“巨浪”。該團隊還展示了通過使用微型LED作為照明光源制作出來的圖像，欣賞者可以在這種圖像中分辨出1.8μm的精細特征，其分辨率大約為14,000 dpi。

該團隊認為，這種“使用光學(xué)原理產(chǎn)生的應(yīng)力場來形成聚合物內(nèi)有組織的，可調(diào)諧的微結(jié)構(gòu)”的原理還可以獲得遠比此更為廣泛的應(yīng)用，例如鈔票上的防偽圖像和具有生物醫(yī)學(xué)用途的可穿戴設(shè)備。

該技術(shù)“允許我們在塑料薄膜中打印出用于透過氣體和液體的多孔網(wǎng)絡(luò)，從而讓整個塑料薄膜既透氣又耐磨，”Sivaniah在隨同工作的新聞稿中說道，“因此，例如在健康方面，我們可以將其集成到一種柔性“流體電路板中”。這種“流體電路板”可以放在用戶的皮膚或隱形眼鏡上，從而可以將重要的生物醫(yī)學(xué)信息傳遞到云端或直接發(fā)送給用戶的醫(yī)生?！?/p>