激光列印永不褪色的結構色

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顏料並不是自然界顏色的唯一來源。從甲蟲的外殼到孔雀的羽毛，這些五彩斑斕的顏色其實源於表面的微陣列和精細結構。雖然已經有研究報道稱可以通過微納結構的設計重現自然界中奇妙的顏色，但是，大規模生產依然是目前無法逾越的技術難題。

生物中的結構色。圖片來源於網路

近日，丹麥技術大學（DTU）的Anders Kristensen和Xiaolong Zhu等研究人員在Science Advances雜誌上發表文章，他們使用表面有規則凸起結構的塑料做襯底，然後將元素鍺（Ge）「鋪」在塑料表面。通過激光列印技術使凸起上的鍺融化，進而改變鍺薄膜的形狀和厚度，呈現出不同的顏色。該方法可以實現每英寸127,000像素點（127,000 dpi）的解析度。相比之下，傳統激光印表機的解析度為20,000 dpi，而噴墨印表機只能達到4,800 dpi。

結構色材料示意圖及調色過程。圖片來源：Sci. Adv.

其實，早在去年，該課題組就在Nature Nanotechnology上發表了一篇題為「Plasmonic colour laser printing」的文章，當時作者使用的襯底是PMMA覆蓋一層金屬Al（Nature Nanotech.,2016,11, 325-329）。不過兩篇研究都存在一個未解決的問題，即有些顏色（比如綠色）無法列印出來。研究者還在嘗試建立更複雜的納米結構，來實現完全吸收紅色和藍色光，只反射綠色光。

激光列印結構色示意圖。圖片來源：Nature Nanotech.

本文中，列印的襯底需要一種特殊的納米級結構表面，由高~200 nm的柱狀顆粒排列而成，表面再覆蓋一層不同厚度的Ge。當激光脈衝在納米柱之間穿行時，納米柱被局部加熱，之後熔化並變形。為了防止熱量擴散，加熱過程只有1納秒。低強度激光脈衝使納米柱變形較小，呈現藍色和紫色；強激光脈衝產生更劇烈的變形，使納米柱反射橙色和黃色。通過調節Ge層的厚度，也可以改變列印的顏色。作者列印了蒙娜麗莎、世界名畫以及人像，來驗證激光列印結構色的效果。（注意看下圖I，應該是個亞裔女生的照片，難道背後還有什麼故事？八卦之火燃起來……）

結構色的激光列印。圖片來源：Sci. Adv.

同時，該方法還可以實現在不同偏振光照射下，顯示出不同的顏色。隨著偏振光角度的變化，列印出的顏色可以連續切換，一定角度下還可以幾乎消失。這就為數據的光學存儲和防偽技術提供了應用的可能性。

激光列印彩色技術對偏振光敏感。圖片來源：Sci. Adv.

——總結——

該研究提供了一種解析度高達127,000 dpi的彩色印刷方法，而且由於通過物理顯色而非顏料顯色，因此只要結構還在，列印出來的圖畫就不會褪色。研究者稱，該技術在防偽加密、數據存儲、視網膜屏幕等領域都有潛在的應用。

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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