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日本京都大学开发出无颜料印刷技术

蝴蝶的翅膀和一些鸟类的羽毛呈现出美丽的色泽,这来自于物体表面结构和光线之间的相互作用。近日,京都大学 Pureosity 团队利用这一原理,研发新型无墨彩色印刷技术,登上 Nature 期刊。


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图片来源:Pixabay

来源 京都大学


人类有追求艺术的天性。但自古以来,绘画创作受制于相同的局限:对墨水颜料的依赖。大自然不用油墨同样可以产生出缤纷色彩,例如蝴蝶的翅膀、雄孔雀壮丽的尾羽和其他一些有虹彩效应的鸟羽。这是物体表面结构和光线之间的相互作用所产生的色彩现象,被称之为“结构色彩(Structural Colour)”。

近日,京都大学 Pureosity 团队(https://pureosity.org/zh  )研发出“组织性微纤维化(Organized Microfilbrillation, OM)”技术,即通过控制材料承受应力时所产生的“裂纹(craze)”,从而实现结构色彩,并应用于彩色印刷。这种技术的研发,将摆脱印刷对墨水颜料的依赖。相关研究成果于 2019 年 6 月 20 日发表在 Nature 杂志, 论文的作者中,秦德韬和蒋涵东来自中国。


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 1.  控制材料裂纹

研究团队通过控制应力场从而在聚合物内形成裂纹并进一步控制裂纹的结构。在光敏聚合物薄膜中引入光学“驻波”,聚合物分子会产生选择性分层交联。交联层和非交联层交替排列,并且,它们之间会产生应力作用。将此薄膜置于相应的溶剂中,非交联层会在亚微米尺度产生细小的纤维以释放应力。这将使薄膜在厚度方向形成致密层和微孔层(纤维层)的交替性周期排列。而每个致密层会对入射光线产生反射,这些周期性放射光线的干涉效应会产生结构色彩。该技术被命名为“组织性微纤维化(Organized Microfibrillation, OM)”。研究进一步发现,微纤维的结构与溶剂的类型、温度、和浸润时间等有密切关系。


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 2.  实现并调控结构色彩

OM 技术通过光学驻波对聚合物薄膜引入应力场。研究证实微孔层(纤维层)的层数会随着薄膜初始厚度的增加而增加,且层数增加的规律完全吻合光学驻波周 期。此外,可以通过光敏聚合物的分子量和驻波的波长对结构色彩产生联合控制, 从而实现色彩范围覆盖整个可见光光谱,由蓝到红。


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更为可贵的是,OM 技术具备普适性。研究表明该技术适用于多种塑性高分子, 包括聚聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚砜。并且在这些聚合物中, 都实现了对结构色彩的调控。


 3.  无墨高分辨率彩色印刷

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OM 技术可以在多种柔性和透明的基底上实现大规模无墨彩色印刷。以《蒙娜丽莎》、《戴珍珠耳环的少女》等西方经典油画作品为蓝本,OM 技术可以在毫米级 别清晰地打印出相应的艺术图案。超高分辨率是该技术的一大优势:研究证实 OM 无墨彩印分辨率可达到每英寸 14000 点数。而传统喷墨彩印技术,分辨率通常仅为每英寸 600 点数。研究团队认为,未来可以在钞票防伪,产品包装,健康保健等众多领域进一步应用和拓展 OM 技术。




论文信息

【标题】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
【链接】
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.


本文来自微信公众号“科研圈”。