关于神奇的墨水实验（说出来你可能不信）

对于彩色图片，大家一定再熟悉不过了。要想打印一张彩色的照片，需要准备什么呢？我们的第一反应“当然是一台打印机，和彩色墨水咯。”

那有没有可能使用无色透明的墨水来打印彩色图片呢？

彩色图片打印

（图片来源：Pixabay）

在我们的常规认知中，色彩来源于色素颜料而非无色透明的物质。而近期中科院化学研究所宋延林研究员团队的一项研究却实现了利用无色透明的墨水创造绚丽彩色图案的突破。研究人员通过精确控制打印墨滴的微观形貌，发展了一种使用透明高分子墨水打印全彩结构色图像的方法。

利用透明高分子墨水打印的彩色蝴蝶（左）

（图片来源：作者）

色彩从哪儿来？

世间万物，绚丽多姿。赤橙黄绿青蓝紫，每一种色彩，都被赋予了其独一无二的内涵，红色热情奔放、黄色温暖明亮、蓝色淡雅忧郁、紫色高贵典雅。区别于具有发光能力的动物如萤火虫，水母等，自然界中大部分色彩的产生是源于自然光与物质之间的相互作用。

光的作用是色彩产生的基础。事实上白光并不是一束纯净的光，而是一种融合了多种波长、多个颜色的混合光。雨后彩虹的出现正是这一事实的最好印证。但是，人类对于光的这一认知也非一蹴而就，1666年，英国著名物理学家牛顿用玻璃三棱镜分解了太阳光，证明了光的色散，由此揭开了光的色彩之谜。

光的色散实验

（图片来源：Pixabay）

两种形式，让色彩呈现

物质也是颜色产生不可或缺的媒介，试想如果没有与光进行作用的物质，即便白光蕴含“赤橙黄绿青蓝紫”等众多丰富的色彩，我们也无法将其分离，这个世界仍旧只有一抹单调乏味的白色。正是由于世间万物物质组成与结构的差异，这个世界才能变得色彩斑斓。

按照与光作用属性的差异，色彩可分为化学色素色和物理结构色。化学色素色在我们的日常生活中最为常见，自然界大多数花朵以及生活中颜料与染料的颜色都是化学色素色。当然，结构色也并不陌生，如绚丽的彩虹与肥皂泡、斑斓的孔雀羽毛与蝴蝶翅膀等，也都是结构色的典型代表。

化学色素色（荷花）与物理结构色（蝴蝶）代表

（图片来源：Pixabay）

化学色素色的呈现源于物质分子对光的选择性吸收。花儿为什么这样红？以红色花朵为例，当自然白光照射到红花表面时，紫色蓝色等非红色的光会被色素分子吸收，而未被色素吸收的红光会反射到我们眼睛中，即花朵所显现的颜色。不同的色素或者染料分子，由于其内部的化学结构不同，所吸收的波长不同，所以可以显现出不同的色彩。

而结构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，它的产生依赖于对物质微观形貌的高精度控制。同一种材料或者物质（以孔雀为例），化学成分无需改变，仅通过对其微纳米结构的调制，也可以呈现出不一样的色泽效果。

五彩的花朵与绚丽的孔雀

（图片来源：Pixabay）

化学色在我们的日常生活和工业生产中应用广泛，但是染料的生产会造成严重的水污染。染料废水中可能含有酸、硷、盐、卤素、烃、硝基物、胺类和染料及其中间体等物质，有的甚至还含有剧毒的联苯胺、氰、酚，以及重金属汞、镉、铬等，而且化学色在烈日曝晒下容易被光分解，不便于长期保存。在环境保护日益受到重视的今天，我们应该探究更加环保的呈色方式，以从源头方向杜绝污染。

而对于结构色而言，它的呈现仅依靠微纳尺度的物理结构，完全可以避免染料或者色素的使用，因此是一种更加环保和稳定的呈色方式。自然界是创造色彩的大师，经过亿万年的进化，演变出了各种复杂且精细的微纳光学结构，这些结构可以让一些动植物显现出无比绚丽的色彩，并赋予他们求偶、报警、自我保护等功能。

结构色这么优秀，那就自己造

了解了结构色的概念和优势，我们不禁要问，有没有办法实现结构色的人工制备呢？

其实，人类通过向自然学习，也发展了很多制备与调控结构色的手段。但是人工结构色的实现，往往需要先进的微加工技术对微观纳米结构进行高精度调控，这就不可避免地需要借助昂贵的光刻设备和复杂的加工工艺，因此在一定程度上阻碍了结构色的广泛应用。

另一种制备结构色的方法是利用“自下而上”的组装方法来制备光子晶体，通过控制组装单元的周期与形貌，可以对光子晶体的带隙进行调制，进而获得对光子晶体结构色的调控。这种方法成本较低，但是由于组装材料的合成和加工都需要精确控制，以及组装裂纹缺陷的普遍存在，也限制了其在一些领域中的应用。

另外, 为了赋予结构色以信息功能，促进结构色的应用拓展，我们往往需要把结构色以像素点的形式制备成有序的图像。但是由于结构色的像素点是众多周期与形貌存在差异的微纳结构，将这些高精度的物理结构精确制备并集成为大面积的彩色图像，至今仍然是一个巨大的挑战！

为此，研究人员对微结构呈色机制进行了深入的研究。通过研究，他们找到了一条全新的结构色生产之路。

1.新思路：全内反射结构色

全内反射（TIR）结构色是一种由全内反射和干涉造成的新型呈色机制，它来源于白光与微米尺度凹状光学曲面结构的相互作用。当光以较大的入射角由光密介质（即光在此介质中的折射率大的）射到光疏介质（即光在此介质中折射率小的）的凹形界面时，会发生全反射。而当这种界面的尺寸缩小到几微米到几十微米的范围内时，它就可以反射出绚丽的彩色。

全内反射（TIR）结构色的产生

（图片来源：宋延林课题组）

全内反射结构色对光学界面参数的变化极其敏感，我们可以通过改变光学曲面的尺寸、曲率、折射率等参数来控制光的传播路径，进而对其所反射的颜色进行调控。

2.全内反射的实现：“穹顶” 结构

如果能将透明的聚合物液滴精确打印成微米尺度的 “穹顶” 光学曲面结构并将其倒置在空气界面中，我们便可以直接制备出能够调控全内反射的彩色结构色像素点。如何实现这种不对称的“穹顶”光学曲面结构的高质量打印与大面积精确制备呢？

研究人员基于长期对打印液滴精准成形的研究，发现通过控制基材的表面能可以对聚合物液滴的沉积形貌进行精确控制。当透明的聚合物液滴沉积到疏水基材并达到稳态平衡时，会自发收缩为一个表面光滑的“穹顶”结构；当另一液滴在同一位置被精确释放后可以与其均匀融合，经过二次回缩形成一个直径扩大的“穹顶”结构。这样通过控制基材表面的浸润性与墨滴沉积的次数，就可以制备出不同尺寸的“穹顶”结构。

当打印墨滴的体积减小到皮升量级时，所制备的“穹顶”结构就可以达到微米尺度，形成可以反射明亮色彩的全内反射光学曲面。基于此，研究人员通过在疏水基材上打印皮升量级的透明聚合物墨滴，直接制备了可反射多种颜色的结构色像素点。

透明高分子墨水打印彩色图案

（图片来源：宋延林课题组）

透明墨水，打印彩色图案

实现了结构色像素点的人工制备，这意味着我们离用透明墨水打印彩色图案的目标又近了一步。

研究人员发现，通过调控打印液滴的体积，可以对聚合物液滴沉积的形貌进行调控，进而可以制备出不同的微尺度光学界面，不同的光学界面可以对不同波长的光进行选择性地干涉增强，从而实现特定波段颜色的反射。因此，仅打印一种透明聚合物墨水，通过控制墨滴的打印尺寸便可以获得全色像素点。

彩色像素点的全色系制备

（图片来源：宋延林课题组）

此外，除了打印纯色的像素点，研究人员还可以对每个打印的像素点的空间位置进行程序化设计与调控。

数一数里面出现了多少种颜色 ↓↓↓

通过在微观区域对不同的基础色像素点进行高精度制备与有序分布，成功地将这些像素点进行了混合，制备出了棕色、褐色、等多种特殊色，进而获得了复杂结构色的集成化色板。

宏观色板的全色制备

（图片来源：宋延林课题组）

最后研究者利用这种光学结构形貌与颜色的对应规律，通过高精度喷墨打印实现墨滴精准成形，制备出了各种结构色图案，并应用于复杂人像的彩色打印。研究人员通过对结构色像素点形貌与位置的精确控制，只需一种透明聚合物墨水，在不添加任何染料的前提下，就能打印出各种各样形象逼真的彩色人像图案。

彩色图像的打印

（图片来源：宋延林课题组）

此外这种技术具有广泛的普适性，几乎任何可以制成透明墨水的高分子材料都可以应用于这种全色系结构色图案的打印。这项研究为结构色的实用化开辟了一条新的途径，也许一天，未来的彩色图像只需要一种透明的墨水就能完全打印。

高分子墨水打印成色的普适化

（图片来源：宋延林课题组）

参考链接：

[1]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221000894

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1992

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-019-0946-4

来源：科学大院

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