参照肥皂泡和蝴蝶翅膀,中科院用透明墨水实现彩印

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09-26 11:13

打印机是目前难以被取代的办公设备,但你知道它会造成许多环境问题吗?

生产颜料和油墨的化学工艺并不环保,大量彩印需要不停更换多个墨盒,许多墨盒还未被用尽就已躺在垃圾场。据统计,每年有 11 亿个墨盒被丢弃,大概 450 年才会自然分解。一盒有残墨的墨水平均污染 60 立方米的水源。

▲ 高级照片打印机会配备多个彩色墨盒. 图片来自:Denisgomes

印刷行业存在的诸多问题,鼓励着研究人员发明其他方法创建彩色图像。近日,中科院化学研究所的研究人员提出一种使用透明高分子墨水打印「全彩结构色图像」的方法。该方法突破了我们对彩色印刷的固有认知,呈现不同颜色不再需要彩色墨水。

结构色(structural color)又称「物理色」,是由微观物理结构与自然光之间的相互作用(如散射、干涉、衍射等)所产生的颜色,和「化学色」的显色原理完全不同。

绚烂的彩虹与肥皂泡、斑斓的孔雀羽毛和蝴蝶翅膀,这些在阳光下闪闪发亮的颜色,就是大自然中广泛存在着的结构色。

▲ 图片来自:Brocken Inaglory

中科院研究人员基于结构色原理,对最常见的彩色打印机——喷墨打印机进行了改造。他们使用了一种在人眼看来透明的聚合物墨水,并用具有疏水表面的玻璃代替了容易吸收大多数液体的纸张。当水性墨滴落下时,它们会被玻璃排斥,进而形成类似「微型穹顶」的结构。

利用液体的表面张力特性和玻璃的疏水作用,打印机可以创建不同大小和形状的微型穹顶,每个微型穹顶反射不同波长的光,使人眼感知不同的颜色。将数千个图像分组在一起,可以创建更大的全彩图像,看起来就像彩色墨滴喷射到纸上一样。

▲ 图片来自:GIZMODO

然而,这种效果仅在一侧起作用,从另一侧观察玻璃片时,墨水依然是透明的,这其实很有用处。

鸟类在穿过城市时面临着很高的死亡率,纽约市每年有 9 万至 23 万只鸟类因窗户碰撞而死亡,这些窗户对于它们来说是不可见的。未来,整座摩天大楼都可以被这样的玻璃片覆盖,不论是大型广告牌还是鸟类安全型窗户,而内部的视野不会被阻碍。

▲ 图片来自:中国科学院化学研究所

研究人员相信,通过对微型穹顶形状和图案结构的精准操作,他们可以完全控制颜色的饱和度、亮度和其他方面。

▲ 这种新印刷方法具有高保真度. 图片来自:GIZMODO

这种新的结构色方法,既可以与现有的打印机兼容,还可能有助于降低印刷成本,因为它只需要单一墨水。此外,这些印刷品可以抵抗光的漂白,使用寿命比随时间褪色的染料要长得多。只要微型穹顶结构没有被破坏,颜色总像初见一般鲜活饱和,因此是一种更加环保且稳定的呈色方式。

2015 年,密苏里科技大学的研究人员也是根据结构色原理,创造了一种「无墨打印机」。他们使用激光在金属材料上打出数千个小孔,以产生和蝴蝶翅膀相同效果的微观结构,但只有金、绿、橙、青、洋红和海军蓝等少量颜色能被显现出来。

▲ 具有数千个微孔的薄夹层材料. 图片来自:GIZMODO

更重要的问题是,「无墨打印机」只能在微观层面上工作,它使用了一种薄夹层材料——只有 170 纳米厚,由两层银组成,中间是一层二氧化硅。这个全彩版的密苏里科技大学标志,它的尺寸大约为十亿分之一米。

▲ 图片来自:GIZMODO

不过,这台「无墨打印机」本就「志不在打印」,而是选择投身更精微的应用,例如创建肉眼不可见的高级安全标记以及实现新型的信息存储。

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