告別化學顏料:科學家用噴墨打印機打印出結構色

2026-05-12 | 來源: 煎蛋網 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

現有的絕大多數打印工藝都依賴於各種顏色的顏料，但自然界還存在著另一種產生色彩的方式，即結構色。孔雀尾巴羽毛那璀璨奪目的顏色就是結構色的典型代表，它利用納米尺度的結構與光發生相互作用，通過折射和反射特定波長的光來產生極高亮度的色彩。與會隨時間褪色的顏料不同，結構色只要物理結構不被破壞，就能永遠保持鮮艷，且通常無毒無害。

然而，傳統的結構色打印面臨諸多挑戰。大多數結構色依賴於周期性聚合物或透明氧化物納米結構，這會導致強烈的虹彩效應，即顏色會隨著觀察角度的變化而改變，限制了實際應用。為了讓結構色更具實用性，來自日本神戶大學的研究團隊研發出了一種新型墨水。

神戶大學的研究人員開發出一種基於米氏共振的硅納米顆粒墨水。米氏共振系統是一種高折射率的粒子系統，能在特定波長下增強光與物質的相互作用，從而提升光學效果。該研究的領頭人之一 Hiroshi Sugimoto 表示，這項研究旨在將基礎的米氏共振納米光子學與可擴展的打印技術相結合，讓結構色從實驗室演示走向大規模的實際應用。

研究團隊一直在開發具有高折射率和低消光系數的球形晶體硅納米顆粒。這些顆粒的直徑在100-200nm之間，能夠反射特定波長的光以產生特定的顏色。為了解決顆粒在溶劑幹燥時容易聚集並導致色彩退化的問題，團隊為硅納米顆粒穿上了一層厚厚的二氧化硅外殼，並將其配制成水基丙烯酸乳液。這種外殼折射率較低，不會偏轉光線，在防止顆粒聚集的同時保證了結構色的純正輸出。

利用這種納米顆粒墨水，研究人員使用噴墨打印機在平面聚合物薄膜和3D金屬表面上印出了圖像，打印分辨率在125到250dpi之間。由於顆粒表現出的米氏折射特性，印出的圖像展現出光學不對稱性，即光線穿過圖像時的顏色與光線從上方反射時的顏色截然不同。此外，通過改變納米顆粒的直徑，還可以調節色彩的色調，從而創造出具有可調反射與透射顏色不對稱性的多色圖案。

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Hiroshi Sugimoto 指出，這項研究最重要的發現是實現了利用硅納米顆粒進行結構色打印，克服了傳統系統對周期性陣列的長期依賴。這種可調且可打印的墨水應用前景廣闊，包括制作防偽圖像、半透明智能窗戶、智能顯示器以及永不褪色的藝術品。

例如，當這種墨水被打印在顯示器上時，如果屏幕處於開啟狀態，打印的圖像將不可見，而一旦屏幕關閉，圖像就會顯現出來。這種特性允許在不消耗能量的情況下顯示信息。目前，該項研究已發表在 Advanced Materials 雜志上。研究團隊下一步計劃進一步控制這種光學不對稱性，將其應用於建築物和窗戶的裝飾膜等更多功能化系統中。