激光打印永不褪色的结构色

颜料并不是自然界颜色的唯一来源。从甲虫的外壳到孔雀的羽毛，这些五彩斑斓的颜色其实源于表面的微阵列和精细结构。虽然已经有研究报道称可以通过微纳结构的设计重现自然界中奇妙的颜色，但是，大规模生产依然是目前无法逾越的技术难题。

生物中的结构色。图片来源于网络

近日，丹麦技术大学（DTU）的Anders Kristensen和Xiaolong Zhu等研究人员在Science Advances 杂志上发表文章，他们使用表面有规则凸起结构的塑料做衬底，然后将元素锗（Ge）“铺”在塑料表面。通过激光打印技术使凸起上的锗融化，进而改变锗薄膜的形状和厚度，呈现出不同的颜色。该方法可以实现每英寸127,000像素点（127,000 dpi）的分辨率。相比之下，传统激光打印机的分辨率为20,000 dpi，而喷墨打印机只能达到4,800 dpi。

结构色材料示意图及调色过程。图片来源：Sci. Adv.

其实，早在去年，该课题组就在Nature Nanotechnology 上发表了一篇题为“Plasmonic colour laser printing”的文章，当时作者使用的衬底是PMMA覆盖一层金属Al（Nature Nanotech., 2016, 11, 325-329）。不过两篇研究都存在一个未解决的问题，即有些颜色（比如绿色）无法打印出来。研究者还在尝试建立更复杂的纳米结构，来实现完全吸收红色和蓝色光，只反射绿色光。

激光打印结构色示意图。图片来源：Nature Nanotech.

本文中，打印的衬底需要一种特殊的纳米级结构表面，由高~200 nm的柱状颗粒排列而成，表面再覆盖一层不同厚度的Ge。当激光脉冲在纳米柱之间穿行时，纳米柱被局部加热，之后熔化并变形。为了防止热量扩散，加热过程只有1纳秒。低强度激光脉冲使纳米柱变形较小，呈现蓝色和紫色；强激光脉冲产生更剧烈的变形，使纳米柱反射橙色和黄色。通过调节Ge层的厚度，也可以改变打印的颜色。作者打印了蒙娜丽莎、世界名画以及人像，来验证激光打印结构色的效果。（注意看下图I，应该是个亚裔女生的照片，难道背后还有什么故事？八卦之火燃起来……）

结构色的激光打印。图片来源：Sci. Adv.

同时，该方法还可以实现在不同偏振光照射下，显示出不同的颜色。随着偏振光角度的变化，打印出的颜色可以连续切换，一定角度下还可以几乎消失。这就为数据的光学存储和防伪技术提供了应用的可能性。

激光打印彩色技术对偏振光敏感。图片来源：Sci. Adv.

——总结——

该研究提供了一种分辨率高达127,000 dpi的彩色印刷方法，而且由于通过物理显色而非颜料显色，因此只要结构还在，打印出来的图画就不会褪色。研究者称，该技术在防伪加密、数据存储、视网膜屏幕等领域都有潜在的应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Resonant laser printing of structural colors on high-index dielectric metasurfaces

Sci. Adv., 2017, 3, e1602487, DOI: 10.1126/sciadv.1602487

（本文由小希供稿）

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