光之成果|不用油墨的彩色打印

你相信么？不使用一滴油墨，就可以复制我们美丽的大自然，就可以重现我们整个世界。

(资料图片)

无墨打印作品之一

随着科学技术的进步，打印机已经普及到我们学习、工作、生活的各个方面。生活中这样的场景随处可见：你轻轻地按下打印按键，打印机快速地吞吐纸张，无论是图表文字，还是彩色照片，都会快速完整的呈现在我们面前。彩色打印机的普及和应用，很好的实现了我们重现美好世界的愿景。然而，快速发展的彩色印刷行业，也给人们的生态环境和健康状况带来了极大的危害。目前广泛应用的喷墨和激光彩色打印，都需要大量使用墨水或者碳粉，其中含有大量的铅、镉、汞、多溴联苯等挥发性有害物质和元素。有相关研究表明，在一个密闭的空间里，在打印机正常工作时，空气中悬浮的有害微粒数量会比平时高五倍。为此，科学家们一直致力于无墨打印，并且大胆尝试了各种方案。

当我们欣赏美丽的孔雀开屏，或者近距离观察昆虫、小鸟等生物的彩色外壳或羽毛的时候，你可能会以为它们的“美”来自于体内的一种色素，但事实上，它们都是光照射在动物躯体局部的大量有序结构上发生的干涉或衍射、折射或漫反射的结果，它们都是结构色的杰作。它们抛弃了颜料的同时，为我们呈现了五彩斑斓的色彩。那么，能否把结构色应用于我们的日常学习工作生活中呢？

为此，科学家们提出了利用超快激光在材料表面制造微纳结构以产生结构色的方案，即超快激光彩色打印技术。在这种技术中，激光就是“笔”。例如，我们身边各类传统的防伪码纸面，就是应用了激光诱导自组织纳米光栅产生的彩虹色，其应用价值在于防止伪造方面，但目前尚不能产生指定颜色的图案。在国外，还利用此技术来打印硬币或纪念币，但其色域较窄，仅能覆盖标准RGB颜色系统的15%的色域范围，并且只能在贵金属表面产生，这就意味着，这种打印技术对材料限制很大，抗磨损性能也较差，比较容易褪色。

尽管科学家们进行了各种各样的尝试和探索，但都存在一定的缺憾。如何能拓宽色域，并且实现颜色不随观察角度而变化，成为激光打印技术急需突破的关键。

西湖大学仇旻教授团队近期提出了利用由氮化钛和氮化铝钛这两种超硬陶瓷材料组成的复合薄膜作为特殊纸张，在其表面利用超快激光进行微纳加工，这项技术在超快激光彩色打印技术上实现了关键性突破。

图1超快激光在复合陶瓷薄膜表面进行着色原理示意图

该技术的核心，首先就是发明了一种新型的“纸”，厚度约110纳米，仅为头发丝千分之一。这种“纸”分为三层：如图1所示，在单晶硅衬底上先后镀50纳米的氮化钛和60纳米的氮化铝钛。第一层，也就是自上而下的最底层，是呈金属性的氮化钛，作为光的反射层，它具有阻挡光线穿透的作用，并且增加亮度；第二层，是高损耗的氮化铝钛电介质，将调控对自然光的吸收，进而决定呈现的颜色；第三层，是最顶层的氧化铝，它将和氮化铝钛一起，调控所吸收的自然光。氮化钛和氮化铝钛有着较强的硬度，因此被称为陶瓷材料，由这层“陶瓷”构成轻盈的“纸”，附着在需打印图样的物品之上。

同时，研究团队还研发了“笔”，也就是激光，这支笔不直接接触物品表面，而是在陶瓷薄膜纸上进行“雕刻”。激光将投在薄膜上，通过把控入射激光的能量和扫描速度，可同时改变氧化膜和氮化铝钛膜的厚度，入射的自然光将通过三层膜之间的复杂干涉效应，形成不同的反射光颜色。从而，实现了五彩斑斓的颜色。

图2 激光打印的典型色板(a)和色域范围(b)

在此之后，研究人员采用了很多技术手段：能量色散x射线、x射线光电子能谱、x射线衍射、聚焦离子束刻蚀等，对激光着色区域进行材料分析，证实了色彩来自于激光诱导形成的氧化层。也就是说，他们研发的“纸”和“笔”，实现了激光彩色无油墨打印。利用氮化钛和氮化铝钛这两种超硬陶瓷材料做成的“特殊纸张”，完全可以实现高速度、高分辨率、宽色域、大尺寸、观察角度不敏感、抗老化等特点的全彩色无油墨激光打印。

目前，仇旻实验室研发的超快激光无墨彩色打印技术，已实现了接近90%的RGB标准颜色系统，远超当前主流的激光着色技术。在无油墨打印的速度方面，该技术达到了创纪录的。这意味着一张A4纸，可以在1分钟内实现全彩色的打印。在打印分辨率方面，也超出传统油墨打印的最高分辨率10倍以上。

此外，研究人员还在高温高湿环境测试了老化情况，在盐雾环境中测试了抗腐蚀性，并进行了光漂白、附着力等实验，但其作品仍然“历久弥新”。

电话：0431—81970000

官网网站：www.ccostm.com

地址：吉林省长春市净月国家高新技术产业开发区永顺路1666号

长按指纹>识别图中二维码>添加关注

关键词：