不用一滴油墨?超快激光可在納米級(jí)薄膜上作畫

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在自然界中，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)，由此產(chǎn)生的顏色被稱作結(jié)構(gòu)色，比如昆蟲和鳥類呈現(xiàn)出的彩色翅膀。這一過程并未用到“顏料”。西湖大學(xué)的仇旻教授和團(tuán)隊(duì)成員從這個(gè)現(xiàn)象中獲得靈感，嘗試?yán)贸旒す庠诓牧媳砻嬷圃煳⒓{結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。

近日，國際期刊《自然·通訊》刊登了該團(tuán)隊(duì)的研究成果。研究人員將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)“飛秒激光無墨彩印”，為激光無油墨彩色打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新思路。

超快激光在復(fù)合陶瓷薄膜表面進(jìn)行著色原理示意圖。

全球范圍內(nèi)，打印機(jī)的年銷售量可達(dá)上億臺(tái)。目前被廣泛使用的噴墨或激光彩色打印機(jī)需要大量使用墨水或碳粉，墨水中含有一定濃度的鉛、鎘、汞、多溴聯(lián)苯等具有揮發(fā)性的有害物質(zhì)，碳粉也會(huì)釋放出大量可被人體吸收的微顆粒，對(duì)環(huán)境與人體形成危害。相比墨水顏料，結(jié)構(gòu)色具有不褪色、高分辨、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

在超快激光打印技術(shù)中，激光既是“筆”，也負(fù)責(zé)制作有特殊結(jié)構(gòu)的陶瓷材料?！氨热绺黝悅鹘y(tǒng)的防偽碼紙面，應(yīng)用激光誘導(dǎo)紙面微觀組織光柵可產(chǎn)生彩虹色，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?！毖芯咳藛T介紹，這類技術(shù)也被用于紀(jì)念幣的打印，但存在打印色域較窄、只能在貴金屬表面產(chǎn)生、成品容易褪色等情況。

記者了解到，此次技術(shù)突破的核心技術(shù)在于團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新穎的“紙”——厚度不過約110納米、僅為頭發(fā)絲千分之一的復(fù)合陶瓷薄膜。

這種“紙”分為三層：最底層是呈金屬性的氮化鈦，作為光的反射層，用于阻擋光線穿透并增加亮度;中間層是高損耗的氮化鋁鈦電介質(zhì)，可調(diào)控對(duì)自然光的吸收;最頂層是氧化鋁，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)控吸收到的自然光。

同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)將激光在陶瓷薄膜上進(jìn)行“雕刻”，將激光投在薄膜上后，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。

研究人員利用多種技術(shù)手段如能量色散x射線、x射線光電子能譜、x射線衍射、聚焦離子束刻蝕對(duì)激光著色的區(qū)域進(jìn)行材料分析，證實(shí)觀察到的色彩的確來自激光誘導(dǎo)形成的氧化層。

目前，仇旻團(tuán)隊(duì)發(fā)明的“飛秒激光無墨彩印”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，能夠呈現(xiàn)出接近90%的RGB標(biāo)準(zhǔn)顏色系統(tǒng)，優(yōu)于當(dāng)前主流的激光著色技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 研究人員 陶瓷材料 干涉效應(yīng) 能量色散 通過控制