无须“着墨” 绘就万千 我科学家团队实现“飞秒激光无墨彩打”关键技术突破
直径2英寸,手感轻如蝉翼;图案包含13种色彩,未用到一滴油墨;肉眼色彩饱满,也将持久闪耀......去年夏天,当每一位西湖大学首届本科生打开录取通知书礼盒时,都会留意到这幅别致的“科学见面礼”晶圆片小画。
而事实上,半年前的这次登场,仅仅是科学家们牛刀初试的作品。近日,这项技术终于完整问世——西湖大学仇旻团队在最新一期《自然通讯》以《激光快速直写结构色实现全色彩无油墨打印》为题解密相关工作,他们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,实现“飞秒激光无墨彩打”,为激光无油墨彩色打印技术的产业化应用提供新思路。
“偷师”大自然:结构色应用于无墨打印
“打印机是环境污染的重要来源之一。有研究表明,在一个密闭的房间内,当打印机工作时,空气中悬浮微粒的数量会比平时高5倍。”仇旻介绍。
如何摆脱“有墨”?人类又一次向大自然“偷师”。
你还记得,近距离欣赏蝴蝶或昆虫的彩色翅膀,或者观察鸟类多彩羽毛的时候吗?你以为它们绚丽的色彩源于体内的色素(化学色),但实际上,这是结构色(物理色)的杰作。当光照射在细微处大量有序结构上,会发生折射、漫反射、衍射或干涉等反应,由此就会产生颜色,这个过程其实并没有用到“颜料”。
那么,我们是否可以效仿大自然,把结构色应用在无墨打印上?
科学家们进行了大胆尝试——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,激光是“笔”。比如,你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,它在防伪方面有一定的应用价值,但不能产生指定颜色的图案。也就是说,尽管科学家们进行了各种探索和尝试,但或多或少都存在“缺憾”。如何拓宽超快激光彩色打印的色域,并实现颜色不随观察角度变化,成为当前激光着色技术研究需突破的关键问题。
过去一年来,西湖大学纳米光子学与仪器技术实验室的研究人员创新性地提出利用超快激光加工陶瓷复合陶瓷薄膜,在超快激光彩色打印技术上实现关键性突破。
该项技术的核心首先在于他们发明了一种新颖的“纸”——厚度不过约110纳米,仅为头发丝的千分之一。仇旻介绍,这种“纸”分为三层:研究人员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,由于氮化钛和氮化铝钛的硬度较大,它们被称为陶瓷材料。第一层,也就是自上而下的最底层,是呈金属性的氮化钛,它将作为光的反射层——作用是阻挡光线穿透,并增加亮度。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。第三层,是最顶层的氧化铝——当超快激光作用于氮化铝钛表面,会额外形成一层以氧化铝为主的透明薄膜,它将和氮化铝钛一起,调控所吸收的自然光。
同时,仇旻团队研发了“笔”的另一种用法——激光不再直接在物品表面创造结构,而是将在陶瓷薄膜纸上进行“雕刻”。激光将投在薄膜上,通过控制入射激光的能量或扫描速度,便可同时改变氧化膜(氧化铝)和氮化铝钛膜的厚度;在厚度改变后,入射的自然光将通过三层膜结构之间的复杂干涉效应,形成特定的反射颜色。丰富多彩的颜色就此成型。
随后,研究人员利用多种技术手段如能量色散X射线、X射线衍射等对激光着色的区域进行材料分析,证实观察到的色彩来自激光诱导形成的氧化层。他们研发的“纸”与“笔”,终于实现了理想中的激光彩色无墨打印。
呈现世界:多彩、高效、历久弥新
研究团队发现,利用氮化钛和氮化铝钛做成的“特殊纸张”,可以实现高速、高分辨、宽色域、大尺寸、观察角度不敏感、抗老化的全彩色无油墨激光打印。
比如宽色域。目前,仇旻实验室发明的“飞秒激光无墨彩打”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。研究人员解释道,与此前的“激光诱导不锈钢表面形成氧化薄膜”传统激光着色方案相比,他们的激光诱导复合薄膜氧化,将可同时改变氧化膜(氧化铝)和氮化铝钛膜的厚度,多了一个自由度,从而获得了更宽的色域。
比如高速、高分辨。该技术可同时实现高速度和高分辨的全彩色无油墨打印。这意味着一张A4纸张,可以在1分钟内实现全彩色的打印。在打印分辨率方面,研究人员展示了10000dpi的彩色打印,超出传统油墨打印的最高分辨率10倍以上。
比如色彩“历久弥新”。研究人员进行了一系列破坏性实验,但“飞秒激光无墨彩打”作品仍然“历久弥新”。这是因为氮化铝钛表面形成的致密氧化铝膜,起到了很好的防护层作用。经过一系列国家标准的抗老化测试,研究人员进一步证实激光在氮化铝钛上诱导形成的颜色色差仍小于7,完全符合工业化应用的需求。
(本报记者晋浩天本报通讯员徐 珊)
编辑: 石彬
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