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，當每一位西湖大學首屆本科生打開錄取通知書禮盒時，都會留意到這幅別致的“科學見面禮”晶圓片小畫。
而事實上，半年前的這次登場，僅僅是科學家們牛刀初試的作品。近日，這項技術終于完整問世——西湖大學仇旻團隊在最新一期《自然通訊》以《激光快速直寫結構色實現(xiàn)全色彩無油墨打印》為題解密相關工作，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合薄膜作為特殊“紙張”，在其表面利用超快激光進行微納加工，實現(xiàn)“飛秒激光無墨彩打”，為激光無油墨彩色打印技術的產(chǎn)業(yè)化應用提供新思路。
“偷師”大自然：結構色應用于無墨打印
“打印機是環(huán)境污染的重要來源之一。有研究表明，在一個密閉的房間內(nèi)，當打印機工作時，空氣中懸浮微粒的數(shù)量會比平時高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候嗎?你以為它們絢麗的色彩源于體內(nèi)的色素(化學色)，但實際上，這是結構色(物理色)的杰作。當光照射在細微處大量有序結構上，會發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉等反應，由此就會產(chǎn)生顏色，這個過程其實并沒有用到“顏料”。
那么，我們是否可以效仿大自然，把結構色應用在無墨打印上?
科學家們進行了大膽嘗試——利用超快激光在材料表面制造微納結構以產(chǎn)生結構色的方案，即超快激光彩色打印技術。在這種技術中，激光是“筆”。比如，你身邊各類傳統(tǒng)的防偽碼紙面，就是應用了激光誘導自組織納米光柵產(chǎn)生的彩虹色，它在防偽方面有一定的應用價值，但不能產(chǎn)生指定顏色的圖案。也就是說，盡管科學家們進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，并實現(xiàn)顏色不隨觀察角度變化，成為當前激光著色技術研究需突破的關鍵問題。
過去一年來，西湖大學納米光子學與儀器技術實驗室的研究人員創(chuàng)新性地提出利用超快激光加工陶瓷復合陶瓷薄膜，在超快激光彩色打印技術上實現(xiàn)關鍵性突破。
該項技術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，將調控對自然光的吸收。第三層，是最頂層的氧化鋁——當超快激光作用于氮化鋁鈦表面，會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，調控所吸收的自然光。
同時，仇旻團隊研發(fā)了“筆”的另一種用法——激光不再直接在物品表面創(chuàng)造結構，而是將在陶瓷薄膜紙上進行“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構之間的復雜干涉效應，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手段如能量色散X射線、X射線衍射等對激光著色的區(qū)域進行材料分析，證實觀察到的色彩來自激光誘導形成的氧化層。他們研發(fā)的“紙”與“筆”，終于實現(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
研究團隊發(fā)現(xiàn)，利用氮化鈦和氮化鋁鈦做成的“特殊紙張”，可以實現(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，仇旻實驗室發(fā)明的“飛秒激光無墨彩打”技術，已實現(xiàn)了接近90%的RGB標準顏色系統(tǒng)，遠超當前主流的激光著色技術。研究人員解釋道，與此前的“激光誘導不銹鋼表面形成氧化薄膜”傳統(tǒng)激光著色方案相比，他們的激光誘導復合薄膜氧化，將可同時改變氧化膜(氧化鋁)和氮化鋁鈦膜的厚度，多了一個自由度，從而獲得了更寬的色域。
比如高速、高分辨。該技術可同時實現(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”。研究人員進行了一系列破壞性實驗，但“飛秒激光無墨彩打”作品仍然“歷久彌新”。這是因為氮化鋁鈦表面形成的致密氧化鋁膜，起到了很好的防護層作用。經(jīng)過一系列國家標準的抗老化測試，研究人員進一步證實激光在氮化鋁鈦上誘導形成的顏色色差仍小于7，完全符合工業(yè)化應用的需求。
