Nature：組織性微纖維化無墨高分率彩色印刷

蝴蝶的翅膀和一些鳥類的羽毛呈現出美麗的色澤，這來自於物體表面結構和光線之間的相互作用。近日，京都大學 Pureosity 團隊利用這一原理，研發新型無墨彩色印刷技術，登上Nature期刊。

來源 京都大學

人類有追求藝術的天性。但自古以來，繪畫創作受制於相同的局限：對墨水顏料的依賴。大自然不用油墨同樣可以產生出繽紛色彩，例如蝴蝶的翅膀、雄孔雀壯麗的尾羽和其他一些有虹彩效應的鳥羽。這是物體表面結構和光線之間的相互作用所產生的色彩現象，被稱之為「結構色彩（Structural Colour）」。

近日，京都大學 Pureosity 團隊（https://pureosity.org/zh）研發出「組織性微纖維化（OrganizedMicrofilbrillation, OM）」技術，即通過控制材料承受應力時所產生的「裂紋（craze）」，從而實現結構色彩，並應用於彩色印刷。這種技術的研發，將擺脫印刷對墨水顏料的依賴。相關研究成果於 2019 年 6 月 20 日發表在Nature雜誌，論文的作者中，秦德韜和蔣涵東來自中國。

1.控制材料裂紋

研究團隊通過控制應力場從而在聚合物內形成裂紋並進一步控制裂紋的結構。在光敏聚合物薄膜中引入光學「駐波」，聚合物分子會產生選擇性分層交聯。交聯層和非交聯層交替排列，並且，它們之間會產生應力作用。將此薄膜置於相應的溶劑中，非交聯層會在亞微米尺度產生細小的纖維以釋放應力。這將使薄膜在厚度方向形成緻密層和微孔層（纖維層）的交替性周期排列。而每個緻密層會對入射光線產生反射，這些周期性放射光線的干涉效應會產生結構色彩。該技術被命名為「組織性微纖維化（Organized Microfibrillation, OM）」。研究進一步發現，微纖維的結構與溶劑的類型、溫度、和浸潤時間等有密切關係。

2.實現並調控結構色彩

OM 技術通過光學駐波對聚合物薄膜引入應力場。研究證實微孔層（纖維層）的層數會隨著薄膜初始厚度的增加而增加，且層數增加的規律完全吻合光學駐波周期。此外，可以通過光敏聚合物的分子量和駐波的波長對結構色彩產生聯合控制，從而實現色彩範圍覆蓋整個可見光光譜，由藍到紅。

更為可貴的是，OM 技術具備普適性。研究表明該技術適用於多種塑性高分子，包括聚聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碸。並且在這些聚合物中，都實現了對結構色彩的調控。

3.無墨高解析度彩色印刷

OM 技術可以在多種柔性和透明的基底上實現大規模無墨彩色印刷。以《蒙娜麗莎》、《戴珍珠耳環的少女》等西方經典油畫作品為藍本，OM 技術可以在毫米級別清晰地列印出相應的藝術圖案。超高解析度是該技術的一大優勢：研究證實 OM 無墨彩印解析度可達到每英寸 14000 點數。而傳統噴墨彩印技術，解析度通常僅為每英寸 600 點數。研究團隊認為，未來可以在鈔票防偽，產品包裝，健康保健等眾多領域進一步應用和拓展 OM 技術。

論文信息

【標題】Structural colour using organized microfibrillation in glassy polymer films

【作者】Masateru M. Ito, Andrew H. Gibbons, Detao Qin, Daisuke Yamamoto, Handong Jiang, Daisuke Yamaguchi, Koichiro Tanaka, Easan Sivaniah

【期刊】Nature

【日期】19 June 2019

【DOI】10.1038/s41586-019-1299-8

【鏈接】https://www.nature.com/articles/s41586-019-1299-8

【摘要】The formation of microscopic cavities and microfibrils at stress hotspots in polymers is typically undesirable and is a contributor to material failure. This type of stress crazing is accelerated by solvents that are typically weak enough not to dissolve the polymer substantially, but which permeate and plasticize the polymer to facilitate the cavity and microfibril formation process. Here we show that microfibril and cavity formation in polymer films can be controlled and harnessed using standing-wave optics to design a periodic stress field within the film. We can then develop the periodic stress field with a weak solvent to create alternating layers of cavity and microfibril-filled polymers, in a process that we call organized stress microfibrillation. These multi-layered porous structures show structural colour across the full visible spectrum, and the colour can be tuned by varying the temperature and solvent conditions under which the films are developed. By further use of standard lithographic and masking tools, the organized stress microfibrillation process becomes an inkless, large-scale colour printing process generating images at resolutions of up to 14,000 dots per inch on a number of flexible and transparent formats.

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