京都大学研究人员借助应力控制实现无墨彩色印刷

据报道，日本京都大学的一个研究小组开发了一种新方法，他们利用光学驻波设计，控制和组织了塑料薄膜内的应力场，进而得到和应力场相对应的结构色，最后他们基于该方法创建了一幅高分辨率图像（Nature，doi：10.1038 / s41586-019-1299-8）。据报道，研究人员认为这种新颖的印刷方法可以在不含墨水的情况下以14,000点/英寸（dpi）的分辨率创建图像。该方法可以在从钞票防伪到可穿戴生物医学设备等一系列应用领域中找到一席之地。

通过在应力聚合物薄膜中使用结构色，京都大学的研究人员在没有油墨的情况下打印出上面这张3毫米见方的维米尔（Vermeer）代表作——“戴珍珠耳环的女孩”

通过“银纹（Crazing）”实现结构色

这个团队研究的课题来源于塑料制品制作时出现的一个常见现象，这个现象就是“银纹”。当一块塑料或塑料薄膜被拉伸或弯曲时，该聚合物结构内的应力“热点（Hot spot）”周围会形成许多细小的裂缝，微腔和称作微纤维的毛状结构网络。从这些微小的应力引起的缺陷中散射的光正是导致塑料呈乳白色的原因，例如，硬质塑料片由于经过反复弯曲而呈现乳白色。

京都大学由Easan Sivaniah领导的团队认为，通过控制塑料薄膜中这些微小结构的生长和交联状况，最终的显色效果可以和目前不透明的乳白色完全不同。实际上研究人员可以基于这种和结构色原理相同的方法将目标区域设计成特定颜色。结构色在自然中也存在，比如蝴蝶的翅膀借助结构色现象呈现出各种不同的颜色，不过，结构色不涉及油墨一样颜料。相反，它的颜色源于可以对散射光形成干涉的纳米结构，例如蝴蝶翅膀中的鳞片结构，或者受应力挤压的塑料片中的很小地微纤维结构。

逐层的结构设计

为了从这些想法中获得具有实用价值的无墨彩色印刷方案，Sivaniah的团队开始深入研究应力诱导聚合物裂纹和微纤维结构的物化机制。研究人员现在知道的是，当塑料薄膜浸入诸如乙酸等弱溶剂中时，这些酸会渗透到塑料中，这足以在保证聚合物薄膜基本结构完整的前提下加速局部空腔和微纤维的形成。将聚苯乙烯薄膜旋涂到硅晶片衬底上的实验表明，随着一层又一层的微纤维结构先形成然后塌陷，这种薄膜的颜色会因为上述的效应逐渐发生变化。

京都大学的这些研究人员对这一过程进行了深入的分析，以完全了解这些效应发生的机制。他们以不同的时间步长，使用扫描电子显微镜对这一过程进行快照拍摄，以记录溶剂渗透进聚合物结构时这些微观结构发生的变化。他们还使用光学传递矩阵和光谱学方法来分析了解这些结构在微观层面上的纳米级变化是如何导致结构颜色发生变化的。通过这些分析，他们发现结构色现象发生的关键机制在于，溶剂在塑料内产生致密层和多孔层交替的周期性结构 - 其光学结果是形成驻波，驻波的干涉可以产生不同的颜色。

基于LED控制微结构单元的形成

接下来，该团队研究了如何从实际应用角度控制这些微结构单元的问题，进而借助这些微结构对光的驻波干涉来形成所需颜色，这样他们就可以创建出目标图像。研究人员在塑料薄膜的周围使用了一排LED，这些LED可以在薄膜中形成不断变化的应力场。“这些不同层构成的周期性就是一种驻波现象”，研究人员在研究中写道，“因此我们可以通过交叉不同波长的光来改变这些驻波的干涉波长。”

在对聚苯乙烯薄膜进行化学调整以使其在280nm以下至405nm的波长范围内进行光敏化之后，研究人员接着将这种经过乙酸处理的薄膜暴露在波长同样在该范围内的许多LED中间。该团队确认，通过以上对光敏薄膜的照明所引发的周期性交联可以在塑料内部形成应力场。

通过重组微纤维结构的几何形状，这些应力反过来会使薄膜光谱中的布拉格峰移动以产生不同的结构颜色 - 随着入射光波长的增加，这种波长的偏移量也会随之增加。虽然目前最大的照射波长仅为405nm，但该技术理论上可用于形成整个400至700nm的可见光范围内的颜色。

京都大学研究人员关于该技术的一个展示 - 利用和蝴蝶翅膀形成颜色原理相同的结构色现象 – 为1毫米见方的Katsushika Hokusai的“巨浪”图像

一幅不使用墨水材料的“巨浪”图像

通过使用计算机图形软件在投影胶片上制作一些荫罩板（Shadow Masks）- 每个波长都使用不同的荫罩板 – 该团队能够使用上述这些光触发的，应力诱导的变化（研究人员称之为“有组织的应力微纤维化”）在聚合物薄膜中制作出基于结构色的图像。通过这项技术，研究人员制作了一些精美的著名艺术品图像，这些方形图像的尺寸在毫米级，如Johannes Vermeer的“戴珍珠耳环的女孩”，达芬奇的“蒙娜丽莎”和葛饰北斋的“巨浪”。该团队还展示了通过使用微型LED作为照明光源制作出来的图像，欣赏者可以在这种图像中分辨出1.8μm的精细特征，其分辨率大约为14,000 dpi。

该团队认为，这种“使用光学原理产生的应力场来形成聚合物内有组织的，可调谐的微结构”的原理还可以获得远比此更为广泛的应用，例如钞票上的防伪图像和具有生物医学用途的可穿戴设备。

该技术“允许我们在塑料薄膜中打印出用于透过气体和液体的多孔网络，从而让整个塑料薄膜既透气又耐磨，”Sivaniah在随同工作的新闻稿中说道，“因此，例如在健康方面，我们可以将其集成到一种柔性“流体电路板中”。这种“流体电路板”可以放在用户的皮肤或隐形眼镜上，从而可以将重要的生物医学信息传递到云端或直接发送给用户的医生。”