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Nature：無(wú)中生有，柔性器件無(wú)墨印刷新玩法！
發(fā)布時(shí)間：
2019-06-24 15:12
來(lái)源：
m.xkdfhjlm.com
當(dāng)我們想到彩色印刷的時(shí)候，我們首先想到的就是彩色油墨，是不是？如果你想給透明聚合物進(jìn)行著色，常規(guī)方案就是油墨著色，即通過(guò)含有顏料的油墨進(jìn)行印刷著色。其實(shí)，我們還有更酷炫的第二種方案：結(jié)構(gòu)著色，即通過(guò)材料內(nèi)產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)而著色，不需要油墨也可以產(chǎn)生彩色。在自然界，結(jié)構(gòu)顏色并不少見(jiàn)，蝴蝶翅膀就是其中一例。
（吉丁蟲(chóng)和蝴蝶的外殼及鱗片的多層顯微結(jié)構(gòu)）
無(wú)墨彩色印刷 一
當(dāng)柔性、透明聚合物彎曲或拉伸時(shí)，材料的部分區(qū)域會(huì)先發(fā)白，然后產(chǎn)生裂紋。聚合物中的裂紋圖案在垂直于所施加的應(yīng)力的方向上形成，由高度取向的聚合物微纖維與微米級(jí)空隙組成。不受控制的裂紋中，微孔和微纖維尺寸變化很大，會(huì)產(chǎn)生各種波長(zhǎng)的光，這就是為什么裂紋通常看起來(lái)是白色的。
為了避免材料開(kāi)裂，Ito及其合作者發(fā)展了一種全新的材料裂紋控制技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)著色，不需要油墨就能在各種柔性和透明聚合物材料上高分辨率印刷彩色。
（圖片來(lái)源：自然雜志）
控制材料裂紋
研究表明，通過(guò)控制裂紋，會(huì)交替形成致密的無(wú)孔層與多孔層，可以加強(qiáng)不同層的反射光的干涉，從而產(chǎn)生特定的顏色。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制聚合物應(yīng)力場(chǎng)來(lái)控制裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)在光敏聚合物膜中形成“駐波”光圖案時(shí)，層上聚合物分子之間會(huì)選擇性地發(fā)生交聯(lián)，而在相鄰的另一層則不會(huì)發(fā)生交聯(lián)，且非交聯(lián)層會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，作者將這種層狀薄膜放置于溶劑中，通過(guò)在非交聯(lián)層中形成裂紋來(lái)釋放應(yīng)力。因此，所得到的薄膜含有交替、致密的多孔層，使材料折射率產(chǎn)生周期性變化。照射在薄膜上的光在連續(xù)的裂紋層上反射，所產(chǎn)生的干涉效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)著色。
（圖片來(lái)源：自然雜志）
裂紋中的微孔實(shí)際上是微小的裂縫，必須控制裂縫的形成以控制裂紋過(guò)程。然而，裂縫形成過(guò)程比非晶態(tài)材料（如聚合物薄膜）更復(fù)雜，更難以控制。研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)研究各種透明聚合物薄膜中周期性裂紋形成的物理機(jī)制和最佳條件。
研究人員只實(shí)現(xiàn)了少數(shù)幾種顏色作為案例，但是通過(guò)精確調(diào)控交替的層間距離理論上可以產(chǎn)生各種各樣的顏色?？刂茖娱g距離的幾個(gè)關(guān)鍵因素包括：
1）用于產(chǎn)生層的光的波長(zhǎng)和用于照射膜的時(shí)間量聚合物的類型和分子量；
2）薄膜的初始厚度；
3）用于產(chǎn)生裂紋的溶劑的類型和溫度；
4）薄膜在溶劑中浸泡的時(shí)間。
技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
1. 實(shí)用性：這并不是第一次在多層透明薄膜中觀察到結(jié)構(gòu)著色。然而，之前的大多數(shù)研究都涉及復(fù)雜且昂貴的方法，而且交替的薄膜層需要再真空條件下沉積在基板上。相比之下，本文所開(kāi)發(fā)的是一種更簡(jiǎn)單，更廉價(jià)，更具有實(shí)際可操作性的方法。
2. 高分辨率：研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制裂紋還可以以極高的分辨率（每英寸高達(dá)14,000點(diǎn)）實(shí)現(xiàn)無(wú)墨彩色打印。而以噴墨印刷為代表傳統(tǒng)的彩色印刷方法（例如噴墨印刷）的分辨率通常僅為每英寸600-1,200個(gè)點(diǎn)，這可能受限于所產(chǎn)生的墨滴尺寸和墨水?dāng)U散速度。
3. 普適性：更重要的是，這種無(wú)墨彩色打印的印刷時(shí)間不會(huì)強(qiáng)烈依賴于基材的尺寸，因?yàn)樗且粋€(gè)平行過(guò)程（整個(gè)圖案同時(shí)印刷到薄膜中），而傳統(tǒng)的噴墨印刷是串行寫(xiě)入過(guò)程，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)打印大面積區(qū)域。
無(wú)墨彩色印刷 二
同樣因?yàn)橛^察蝴蝶翅膀，另一家企業(yè)研發(fā)出了不同方向的無(wú)墨彩色印刷技術(shù)。
（無(wú)墨印刷煙包，來(lái)源蘇州印象）
蝴蝶翅膀的彩色鱗片大部分是由兩層重疊排列的、尺寸在100~300μm的小鱗片組成。鱗片排列緊密而有序, 與基質(zhì)保持一定的傾角, 呈倒伏狀, 并沿同一方向, 均勻覆蓋在蝴蝶翅膀的基質(zhì)上, 鱗片排與排之間有一定的首尾搭接, 相鄰鱗片之間也有左右重疊部分, 類似屋頂上的瓦片。而下一層則比較光滑。蝴蝶翅膀這種井然有序的納微米結(jié)構(gòu)安排形成了所謂的光子晶體，為物理微結(jié)構(gòu)顯色奠定了基礎(chǔ)。
（藍(lán)閃蝶（Blue Morpho），我們放大其翅膀鱗片，最終可以看到這些像圣誕樹(shù)一樣的脊形表面，正是這種脊形分支讓藍(lán)閃蝶可以抵消其他顏色光線，最終反射出藍(lán)色。）
物理結(jié)構(gòu)顯色
物理結(jié)構(gòu)顯色是指，當(dāng)膜的表面被刻上極其微小的納米級(jí)的結(jié)構(gòu)時(shí)， 即可使光波發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉， 進(jìn)而產(chǎn)生各種肉眼可辨的色彩和圖案。因?yàn)?span lang="EN-US">微納光學(xué)結(jié)構(gòu)色具有不褪色、環(huán)保和虹彩效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在顯示、裝飾、防偽等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
（利用微結(jié)構(gòu)條紋顯示真彩色3D立體圖像，來(lái)源蘇州印象）
技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
蘇州印象鐳射科技有限公司正在不斷的嘗試用物理結(jié)構(gòu)（微納米光學(xué)技術(shù)）顯色來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油墨印刷，在證卡防偽、標(biāo)簽、包裝、裝飾等領(lǐng)域做推廣應(yīng)用，并且取得了一系列應(yīng)用成果。微納光學(xué)紋理技術(shù)目前已經(jīng)成為CMF產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)和優(yōu)選方案，原因在于以下三個(gè)方面：
1、微納光學(xué)紋理可以滿足豐富的外觀效果設(shè)計(jì)，不但可以表現(xiàn)顏色，還可以表達(dá)動(dòng)態(tài)變化和空間三維立體；
2、微納光學(xué)紋理可以直接代替油墨印刷、電鍍、噴涂等環(huán)節(jié)，生產(chǎn)具有節(jié)能減排的作用，產(chǎn)品健康安全；
3、微納光學(xué)紋理科技感強(qiáng)，可以在紙張、塑料、金屬、玻璃等載體上實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用范圍較廣。
小結(jié)
不論是通過(guò)對(duì)裂紋的控制來(lái)獲得色彩，還是通過(guò)微結(jié)構(gòu)顯色，其本質(zhì)都是不采用油墨印刷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物體表面的色彩感，是向安全環(huán)保印刷邁出的重要一步。
關(guān)于無(wú)油墨印刷技術(shù)，我們會(huì)持續(xù)關(guān)注。
文章部分內(nèi)容觀點(diǎn)來(lái)自《納米人》 如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除
參考文獻(xiàn)：
【1】Masateru M. Ito et al. Structural colourusing organized microfibrillation in glassy polymer films. Nature 2019, 570, 363–367.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1299-8
【2】Seung Hwan Ko. Crazy colour printingwithout ink. Nature 2019, 570, 312-313.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-01856-6
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