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直径2英寸，手感轻如蝉翼；圖案包括13種色采，未用到一滴油墨；肉眼色采丰满，也将长期闪烁下去……客岁炎天，當每位西湖大學的首届本科生打開登科通知书礼盒時，城市欣喜地留心到入學纪念牌上镶嵌的這幅新颖的“科學碰頭礼”晶圆片小画。
而究竟上，半年前的此次登場，仅仅是科學家們牛刀初試的作品。近日，咱們终究可以或许一睹這項技能完備的“庐山真脸孔”——西湖大學仇旻團队在最新一期Nature Co妹妹unications以“High-speed laser writing of structural colors for full-color inkless printing”為题解密相干事情，他們用由氮化钛和氮化铝钛這两種超硬陶瓷質料構成的复合薄膜作為特别“纸张”，在其概况操纵超快激光举行微纳加工，實現“飛秒激光無墨彩打”，為激光無油墨彩色打印技能的財產化利用供给了新思绪。
認識的“有墨”打印
有甚麼問题嗎？
這是一個常見的辦公室或家庭場景：你在電脑上轻盈地按下“打印”按钮，毗連的打印機哗啦啦高效吐纸张，很是便捷地，你手中就握着電子內容的彩色纸質版，不管是文件、圖表仍是相片。
明顯，跟着彩色打印機的普及，這成為千家万户的平常。今朝，全球打印機每一年的销量靠近1.5亿台。
但是，打印機是情况污染的首要来历之一，由於今朝遍及利用的喷墨或激光采色打印機必要大量利用墨水或碳粉，而這些颜料會對情况造成不成轻忽的污染，并對人體造成風險。墨水中含有必定浓度的铅、镉、汞、多溴联苯等挥發性的有害物資和電動止鼾器,元素；打印機事情時，碳粉也會開释出大量可被人體吸取的微颗粒。有钻研表白，在一個密闭的房間內，當打印機事情時，氛围中悬浮微粒的数目會比日常平凡高五倍。
若何解脱“有墨”？人類又一次向大天然“偷師”。
你還记得，近間隔赏識胡蝶或虫豸的彩色同党，或察看鸟類多彩羽毛的時辰嗎？你觉得它們炫丽的色采源於體內的色素（化學色），但現實上，這是布局色（物理色）的佳構。當光照耀在渺小处大量有序布局上，會產生折射、漫反射、衍射或干與等反响，由此就會發生色彩，這個進程實在并無用到“颜料”。而且相對付颜料，布局色具備不退色、高辨别、环保等长处。
那末，咱們是不是可以效仿大天然，把布局色利用收納纸巾盒,在無墨打印上？
科學家們举行了斗胆测驗考試——操纵超快激光在質料概况制造微纳布局以發生布局色的方案，即超快激光采色打印技能。在這類技能中，光（激光）是“笔”，也是特别布局“画布”的“铸就”者。好比，你身旁各種傳统的防伪码纸面，就是利用了激光引诱自组织纳米光栅發生的彩虹色，它在防伪方面有必定的利用價值，但不克不及發生指定色彩的圖案洗碗神器,。在加拿大，這項技能還被用於硬币和怀念币的打印，但其打印色域较窄，仅能笼盖尺度RGB尺度色彩體系的15%色域范畴；且只能在贵金属概况發生，這象征着對質料限定大；色采抗磨损機能也较差，轻易退色。
也就是說，虽然科學家們举行了各類摸索和测驗考試，但或多或少都存在“缺憾”。若何拓宽超快激光采色打印的色域（也就是能打印更多色彩），并實現色彩不随察看角度變革，成為當前激光着色技能钻研需冲破的關頭問题。
以陶瓷為“纸”，以激光為“笔”
會擦出怎麼的火花？
纳米光子學與儀器技能實行室，這是西湖大學仇旻實行室的“台甫”。實行室卖力人仇旻，在曩昔20多年間一向“向光而行”，聚焦微纳光子學范畴的钻研。
曩昔一年来，仇旻實行室的钻研职員立异性地提出操纵超快激光加工陶瓷复合陶瓷薄膜，在超快激光采色打印技能上實現關頭性冲破。
圖1. 超快激光在复合陶瓷薄膜概况举行着色道理示用意
该項技能的焦點起首在於他們發現了一種别致的“纸”——厚度不外约110纳米、仅為頭發丝千分之一。這類“纸”分為三层：如圖1所示，钻研职員在单晶硅衬底上前後镀50纳米的氮化钛和60 纳米的氮化铝钛。第一层，也就是自上而下的最底层，是呈金属性的氮化钛，它将作為光的反射层——感化是拦截光芒穿透，并增长亮度。第二层，是高消耗的氮化铝钛電介質，将调控對天然光的吸取——正如咱們所知，物品所顯現的色彩，是由他們吸取的光所决议的。第三层，是最頂层的氧化铝——當超快激光感化於氮化铝钛概况，會分外構成一层以氧化铝為主的透明薄膜，它将和氮化铝钛一块兒，调控所吸取的天然光。
因為氮化钛和氮化铝钛的硬度较大，它們被称為陶瓷質料，而這层“陶瓷”组成的如羽毛般轻快的“纸”，将成為“外套”，附着在需打印圖样的物品之上。
同時，仇旻團队研發了“笔”的另外一種用法——這支笔，仍然是激光，不外在他們的技能中，這支笔再也不直接在物品概况缔造布局，而是将在陶瓷薄膜纸长進行“雕镂”。激光将投在薄膜上，經由過程节制入射激光的能量或扫描速率，即可同時扭轉氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度；在厚度扭轉後，入射的天然光将經由過程三层膜布局之間的繁杂干與效應，構成特定的反射色彩。從而，丰硕多山楂乾哪裡買，彩的色彩就此成型，如圖2a所示。
圖2. 激光打印的典范色板(a)和色域范畴(b)
随後，钻研职員操纵多種技能手腕如能量色散x射线、x射线光電子能谱、x射线衍射、聚焦離子束刻蚀對激光着色的區域举行質料阐發，證明察看到的色采简直来自激光引诱構成的氧化层；也就是說，他們研發的“纸”與“笔”，终究實現了抱负中的激光采色無墨打印。
多彩、高效、耐久弥新
還原標致世界
科學钻研向前推動的每步，都離不開踏踏實實的驗證。履历了短暂的歡庆以後，钻研團队随即投入對新技能一轮轮的查驗中。
他們欣喜地發明，操纵氮化钛和氮化铝钛這两種超硬陶瓷質料做成的“特别纸张”，彻底可以實現高速、高辨别、宽色域、大尺寸、察看角度不敏感、抗老化的全彩色無油墨蜂蜜凍幹檸檬片,激光打印。
宽色域。今朝，仇旻實行室發現的“飛秒激光無墨彩打”技能，已實現了靠近90% 的RGB尺度色彩體系（如圖2b所示），遠超當前主流的激光着色技能。钻研职員诠释道，與此前的“激光引诱不锈钢概况構成氧化薄膜”傳统激光着色方案比拟，前者構成的為单层氧化膜、只有一個可變變量，而他們的激光引诱复合薄膜氧化，将可同時扭轉氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度，多了一個自由度，從而得到了更宽的色域。
高速、高辨别。该技能可同時實現高速率和高辨别的全彩色無油墨打印。在打印速率方面，该技能到達了創记载的10 cm2/s，如圖3所示。這象征着一张A4纸张，可以在1分钟內實現全彩色的打印。在打印辨别率方面，钻研职員展現了10000 dpi的彩色打印，超越傳统油墨打印的最高辨别率10倍以上。
圖3. 動圖展現超快激光在質料概况着色的進程
色彩不随察看角度變革。氮化铝钛的高吸取特征使得其界面处發生可觀的分外相位差，抵消了由薄膜厚度差别致使的色彩随察看角度變革；简略理解，恰是由於這件“羽衣”如斯浮滑，因此在0-80°的范畴內，不管在哪一個角度觀测，色彩根基不會產生變革，而這恰是激光着色范畴的另外一個困難（如圖4所示）。
色采“耐久弥新”。钻研职員举行了一系列粉碎性實行，在高温高湿情况的测試了老化环境（雙85實行），在盐雾情况中测試了抗腐化性，并举行了光漂白、附出力等實行，但“飛秒激光無墨彩打”的作品依然“耐久弥新”。這是由於氮化铝钛概况構成的致密氧化铝膜起到了很好的防护层感化。颠末一系各國家尺度的抗老化测試，钻研职員進一步證明激光在氮化铝钛上引诱構成的色彩色差仍＜7，彻底合适工業化利用的需求。
圖4. 分歧角度下察看的激光着色色板
而最後一步實行，最是“色采美丽”，“灿艳動听”。你能信赖，這都是来自一群工科生的“艺術高文”嗎？
毕加索名画《抽泣的女人》——
明代聞名画家仇英的《汉宫春晓圖》——
王羲之书法《兰亭集序》——
此中，《汉宫春晓圖》是在粗拙的未抛光单晶硅概况打印的，《兰亭集序》则是打印在柔嫩的钢箔上。這也将是本激光打印技能，较之一样顯現布局色的傳统微纳加工技能（如電子束刻蚀和纳米压印）的一個庞大上風。
2022年，西湖大學首届本科生、杨振宁等20余位西湖大學参谋委員會成員，成為不舉怎麼辦,這項技能的首批見證者（圖5-6）。
圖5. 仇旻實行室钻研职員為西湖大學第一批本科生建造的入學怀念品
圖6. 仇旻實行室钻研职員為杨振宁師长教師建造的怀念品
将来，這項技能将若何扭轉咱們的糊口？钻研團队职員笑称，這個開放式命题交给公家作答。“你們虽然想象，咱們卖力實現”——在《流離地球2》上映後，中國航天科技團體、中國煤油、中國石化、中粮團體等齐刷刷地向影片的绚丽空想作出“回應”。而這句喊话，也正是仇旻團队的心声。科學家的任務就是摸索古人未達之境，把不成能一步步酿成可能。
来历/西湖大學 仇旻實行室
拍照/朱丹陽、马崇炎 |
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發表於 2024-5-4 19:30:29
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