Nature：酷到“炸裂”的无墨彩色打印，从控制塑料膜“开裂”开始

葛饰北斋（1760-1849）是日本江户时代的著名画家，在北斋所有的浮世绘版画杰作中，《神奈川冲浪里》（下图）是其巅峰之作，称得上是日本浮世绘艺术甚至日本古代绘画艺术的终极代表。

葛饰北斋作品《神奈川冲浪里》。图片来源于网络

浮世绘有什么样的艺术价值？《神奈川冲浪里》和《凯风快晴》哪个才是葛饰北斋的代表作？梵高临摹过葛饰北斋的哪幅作品？葛饰北斋为《水浒传》所作的人物插图是否符合书中的人物设定？这些……本文都不会讨论……

本文关注的是近日日本京都大学的Easan Sivaniah、Masateru M. Ito等研究者在Nature 上发表的论文，他们利用聚合物薄膜的微结构控制创作出目前世界上最小的《神奈川冲浪里》（下图），宽度仅有1个毫米。更为重要的是，这幅彩色作品不需要使用任何颜料！

图片来源：Kyoto University ^[1]

不用颜料也可以呈现不同色彩？不少读者都知道，这就需要结构色（Structural Color）的贡献了。自然界中存在着许多靓丽的色彩，这些色彩一般分为结构色和色素色。蝴蝶的翅膀、鸟类的羽毛、甲虫的外壳，大都属于结构色，其微观结构往往具有长程有序或者短程有序的特点，使特征波长的光发生折射、漫反射、衍射或相干散射而产生色彩。也就是说，只要物质的微观结构和组成成分不变，结构色就永不褪色。因此，热带雨林里的鹦鹉就算时常被暴雨冲洗，羽毛颜色也一样鲜亮。

蛋白石、蝴蝶和鹦鹉的结构色。图片来源于网络

如何利用聚合物薄膜构造出结构色呢？这事无聊的小学生们最拿手，一张透明的塑料片，反复折叠，中间就会从无色透明变成乳白色。在术语中，这个过程被称为“应力开裂（stress crazing）”，在聚合物的应力热点处会形成微裂纹，出现微空腔和微纤维，当然这个过程往往会导致材料失效，在材料工程上通常不希望遇到。Sivaniah和Ito等人正是基于这种现象，设法控制了聚合物薄膜中微空腔和微纤维的形成和组织方式，从而产生整个可见光谱的结构色。

具体说来，这种被研究者称为“组织化应力微纤维化（organized stress microfibrillation）”的技术（下图），关键有两点：一是弱溶剂，这种溶剂通常足够弱不太能溶解聚合物，但可以渗透并塑化聚合物以加速微空腔和微纤维的形成过程，从而加速应力开裂；二是基于光驻波（standing-wave）在聚合物薄膜内形成受控和组织化的应力场，以诱导应力开裂。这二者结合，就可以在聚合物薄膜中按照事先设计形成多层的多孔微纤维化结构，从而呈现全可见光谱结构色。

组织化应力微纤维化产生结构色。图片来源：Nature

多孔微纤维层的结构与所选溶剂的类型、温度和浸润时间等因素有密切关系。研究表面，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驻波周期。利用不同波长的LED来交联聚苯乙烯薄膜，所得薄膜具有周期性结构和布拉格峰，其位置随照明光波长的增加而增加。另外，增加聚合物的分子量也会使薄膜的布拉格峰蓝移。于是，通过改变制备方法，就可以调节薄膜的颜色。

聚合物薄膜结构和颜色的调节。图片来源：Nature

既然可以实现全光谱结构色，并且颜色可调，那就意味着这种技术可以用于彩色成像。研究者结合标准的光刻技术，将组织化应力微纤维化工艺用于无墨彩色打印。通过使用微型LED照明，可以获得高达每英寸14,000点的分辨率。除了能够打印类似《神奈川冲浪里》这样日本名画，《戴珍珠耳环的少女》、《蒙娜丽莎》这样的世界名画也没放过。

组织化应力微纤维化工艺用于高分辨率无墨彩色打印。图片来源：Nature

图片来源：Kyoto University ^[1]

另外，这种技术还具备普适性，适用于多种塑性高分子，包括聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚砜。研究者在这些聚合物中，都实现了对结构色的调控。

聚合物无墨印刷示意图。图片来源：Nature ^[2]

该技术的研发，有望帮助彩色印刷摆脱对颜料的依赖。Easan Sivaniah说，“这种技术制备的薄膜具有多孔网络结构，不仅透气更适合穿戴。所以我们可以将它用于医疗或健康领域，例如附在皮肤表面，将必要的生物医学信息展示给医护专业人员。” ^[1]

Nature 也对这一有创意的工作进行了报道 ^[2]，该文基于关键技术过程“开裂（crazing）”而使用了一个颇有标题党味道的标题——“Crazy colour printing without ink”。如果将来能更进一步以低成本在纸上实现基于结构色的彩色打印，那会是多么的Crazy！

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1299-8

参考资料：

1. The New Great Wave

https://www.kyoto-u.ac.jp/en/research/research_results/2019/190620_1.html

2. Crazy colour printing without ink

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01856-6

来源：X-MOL资讯