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直徑2英寸，手感輕如蟬翼；圖案包含13種色彩，未用到一滴油墨；肉眼色彩飽滿，也將持久閃耀下去……去年夏天，當每一位西湖大學的首屆本科生打開錄取通知書(shu) 禮盒時，都會(hui) 驚喜地留意到入學留念牌上鑲嵌的這幅別致的“科學見麵禮”晶圓片小畫。

而事實上，半年前的這次登場，僅(jin) 僅(jin) 是科學家們(men) 牛刀初試的作品。近日，我們(men) 終於(yu) 能夠一睹這項技術完整的“廬山真麵目”——西湖大學仇旻團隊在最新一期Nature Communications以“High-speed laser writing of structural colors for full-color inkless printing”為(wei) 題解密相關(guan) 工作，他們(men) 用由氮化鈦和氮化鋁鈦這兩(liang) 種超硬陶瓷材料組成的複合薄膜作為(wei) 特殊“紙張”，在其表麵利用超快激光進行微納加工，實現“飛秒激光無墨彩打”，為(wei) 激光無油墨彩色打印技術的產(chan) 業(ye) 化應用提供了新思路。

熟悉的“有墨”打印

有什麽(me) 問題嗎？

這是一個(ge) 常見的辦公室或者家庭場景：你在電腦上輕巧地按下“打印”按鈕，連接的打印機嘩啦啦高效吐紙張，非常便捷地，你手中就握著電子內(nei) 容的彩色紙質版，無論是文件、圖表還是相片。

顯然，隨著彩色打印機的普及，這成為(wei) 千家萬(wan) 戶的日常。目前，全世界打印機每年的銷量接近1.5億(yi) 台。

然而，打印機是環境汙染的重要來源之一，因為(wei) 目前廣泛使用的噴墨或激光彩色打印機需要大量使用墨水或碳粉，而這些顏料會(hui) 對環境造成不可忽視的汙染，並對人體(ti) 造成危害。墨水中含有一定濃度的鉛、鎘、汞、多溴聯苯等揮發性的有害物質和元素；打印機工作時，碳粉也會(hui) 釋放出大量可被人體(ti) 吸收的微顆粒。有研究表明，在一個(ge) 密閉的房間內(nei) ，當打印機工作時，空氣中懸浮微粒的數量會(hui) 比平時高五倍。

如何擺脫“有墨”？人類又一次向大自然“偷師”。

你還記得，近距離欣賞蝴蝶或昆蟲的彩色翅膀，或者觀察鳥類多彩羽毛的時候嗎？你以為(wei) 它們(men) 炫麗(li) 的色彩源於(yu) 體(ti) 內(nei) 的色素（化學色），但實際上，這是結構色（物理色）的傑作。當光照射在細微處大量有序結構上，會(hui) 發生折射、漫反射、衍射或幹涉等反應，由此就會(hui) 產(chan) 生顏色，這個(ge) 過程其實並沒有用到“顏料”。並且相對於(yu) 顏料，結構色具有不褪色、高分辨、環保等優(you) 點。

那麽(me) ，我們(men) 是否可以效仿大自然，把結構色應用在無墨打印上？

科學家們(men) 進行了大膽嚐試——利用超快激光在材料表麵製造微納結構以產(chan) 生結構色的方案，即超快激光彩色打印技術。在這種技術中，光（激光）是“筆”，也是特殊結構“畫布”的“鑄就”者。比如，你身邊各類傳(chuan) 統的防偽(wei) 碼紙麵，就是應用了激光誘導自組織納米光柵產(chan) 生的彩虹色，它在防偽(wei) 方麵有一定的應用價(jia) 值，但不能產(chan) 生指定顏色的圖案。在加拿大，這項技術還被用於(yu) 硬幣和紀念幣的打印，但其打印色域較窄，僅(jin) 能覆蓋標準RGB標準顏色係統的15%色域範圍；且隻能在貴金屬表麵產(chan) 生，這意味著對材料限製大；色彩抗磨損性能也較差，容易褪色。

也就是說，盡管科學家們(men) 進行了各種探索和嚐試，但或多或少都存在“缺憾”。如何拓寬超快激光彩色打印的色域（也就是能打印更多顏色），並實現顏色不隨觀察角度變化，成為(wei) 當前激光著色技術研究需突破的關(guan) 鍵問題。

以陶瓷為(wei) “紙”，以激光為(wei) “筆”

會(hui) 擦出怎樣的火花？

納米光子學與(yu) 儀(yi) 器技術實驗室，這是西湖大學仇旻實驗室的“大名”。實驗室負責人仇旻，在過去20多年間一直“向光而行”，聚焦微納光子學領域的研究。

過去一年來，仇旻實驗室的研究人員創新性地提出利用超快激光加工陶瓷複合陶瓷薄膜，在超快激光彩色打印技術上實現關(guan) 鍵性突破。

圖1. 超快激光在複合陶瓷薄膜表麵進行著色原理示意圖

該項技術的核心首先在於(yu) 他們(men) 發明了一種新穎的“紙”——厚度不過約110納米、僅(jin) 為(wei) 頭發絲(si) 千分之一。這種“紙”分為(wei) 三層：如圖1所示，研究人員在單晶矽襯底上先後鍍50納米的氮化鈦和60納米的氮化鋁鈦。第一層，也就是自上而下的最底層，是呈金屬性的氮化鈦，它將作為(wei) 光的反射層——作用是阻擋光線穿透，並增加亮度。第二層，是高損耗的氮化鋁鈦電介質，將調控對自然光的吸收——正如我們(men) 所知，物品所呈現的顏色，是由他們(men) 吸收的光所決(jue) 定的。第三層，是最頂層的氧化鋁——當超快激光作用於(yu) 氮化鋁鈦表麵，會(hui) 額外形成一層以氧化鋁為(wei) 主的透明薄膜，它將和氮化鋁鈦一起，調控所吸收的自然光。

由於(yu) 氮化鈦和氮化鋁鈦的硬度較大，它們(men) 被稱為(wei) 陶瓷材料，而這層“陶瓷”構成的如羽毛般輕盈的“紙”，將成為(wei) “外衣”，附著在需打印圖樣的物品之上。

同時，仇旻團隊研發了“筆”的另一種用法——這支筆，依然是激光，不過在他們(men) 的技術中，這支筆不再直接在物品表麵創造結構，而是將在陶瓷薄膜紙上進行“雕刻”。激光將投在薄膜上，通過控製入射激光的能量或掃描速度，便可同時改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦膜的厚度；在厚度改變後，入射的自然光將通過三層膜結構之間的複雜幹涉效應，形成特定的反射顏色。從(cong) 而，豐(feng) 富多彩的顏色就此成型，如圖2a所示。

圖2. 激光打印的典型色板(a)和色域範圍(b)

隨後，研究人員利用多種技術手段如能量色散x射線、x射線光電子能譜、x射線衍射、聚焦離子束刻蝕對激光著色的區域進行材料分析，證實觀察到的色彩的確來自激光誘導形成的氧化層。也就是說，他們(men) 研發的“紙”與(yu) “筆”，終於(yu) 實現了理想中的激光彩色無墨打印。

多彩、高效、曆久彌新

還原美麗(li) 世界

科學研究向前推進的每一步，都離不開腳踏實地的驗證。經曆了短暫的歡慶之後，研究團隊隨即投入對新技術一輪輪的檢驗中。

他們(men) 驚喜地發現，利用氮化鈦和氮化鋁鈦這兩(liang) 種超硬陶瓷材料做成的“特殊紙張”，完全可以實現高速、高分辨、寬色域、大尺寸、觀察角度不敏感、抗老化的全彩色無油墨激光打印。

寬色域。目前，仇旻實驗室發明的“飛秒激光無墨彩打”技術，已實現了接近90%的RGB標準顏色係統（如圖2b所示），遠超當前主流的激光著色技術。研究人員解釋道，與(yu) 此前的“激光誘導不鏽鋼表麵形成氧化薄膜”傳(chuan) 統激光著色方案相比，前者形成的為(wei) 單層氧化膜、隻有一個(ge) 可變變量，而他們(men) 的激光誘導複合薄膜氧化，將可同時改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦膜的厚度，多了一個(ge) 自由度，從(cong) 而獲得了更寬的色域。

高速、高分辨。該技術可同時實現高速度和高分辨的全彩色無油墨打印。在打印速度方麵，該技術達到了創紀錄的10cm2/s，如圖3所示。這意味著一張A4紙張，可以在1分鍾內(nei) 實現全彩色的打印。在打印分辨率方麵，研究人員展示了10000 dpi的彩色打印，超出傳(chuan) 統油墨打印的最高分辨率10倍以上。

顏色不隨觀察角度變化。氮化鋁鈦的高吸收特性使得其界麵處產(chan) 生可觀的額外相位差，抵消了由薄膜厚度差異導致的顏色隨觀察角度變化；簡單理解，正是因為(wei) 這件“羽衣”如此輕薄，因而在0-80°的範圍內(nei) ，無論在哪個(ge) 角度觀測，顏色基本不會(hui) 發生變化，而這正是激光著色領域的另一個(ge) 難題（如圖4所示）。

色彩“曆久彌新”。研究人員進行了一係列破壞性實驗，在高溫高濕環境中測試了老化情況（雙85實驗），在鹽霧環境中測試了抗腐蝕性，並進行了光漂白、附著力等實驗，但“飛秒激光無墨彩打”的作品仍然“曆久彌新”。這是因為(wei) 氮化鋁鈦表麵形成的致密氧化鋁膜起到了很好的防護層作用。經過一係列國家標準的抗老化測試，研究人員進一步證實激光在氮化鋁鈦上誘導形成的顏色色差仍＜7，完全符合工業(ye) 化應用的需求。

圖4. 不同角度下觀察的激光著色色板

而最後一步實驗，最是“色彩斑斕”“絢麗(li) 動人”。你能相信，這都是來自一群工科生的“藝術大作”嗎？

畢加索名畫《哭泣的女人》——

明朝著名畫家仇英的《漢宮春曉圖》——

王羲之書(shu) 法《蘭(lan) 亭集序》——

其中，《漢宮春曉圖》是在粗糙的未拋光單晶矽表麵打印的，《蘭(lan) 亭集序》則是打印在柔軟的鋼箔上。這也將是本激光打印技術，較之同樣呈現結構色的傳(chuan) 統微納加工技術（如電子束刻蝕和納米壓印）的一個(ge) 巨大優(you) 勢。

2022年，西湖大學首屆本科生、楊振寧等20餘(yu) 位西湖大學顧問委員會(hui) 成員，成為(wei) 這項技術的首批見證者（圖5-6）。

圖5. 仇旻實驗室研究人員為(wei) 西湖大學第一批本科生製作的入學紀念品

圖6. 仇旻實驗室研究人員為(wei) 楊振寧先生製作的紀念品

未來，這項技術將如何改變我們(men) 的生活？研究團隊人員笑稱，這個(ge) 開放式命題交給公眾(zhong) 作答。“你們(men) 盡管想象，我們(men) 負責實現”——在《流浪地球2》上映後，中國航天科技集團、中國石油、中國石化、中糧集團等齊刷刷地向影片的壯麗(li) 幻想作出“回應”。而這句喊話，也恰是仇旻團隊的心聲。科學家的使命就是探索前人未達之境，把不可能一步步變成可能。

新聞助讀

讓這一場“光影大作”走得更遠

從(cong) 0到1的前行之路，向來都是布滿荊棘。在技術層麵上，本文的第一作者耿嬌博士表示，最難的部分是參數調試，為(wei) 了呈現近90%的RGB標準色，他們(men) 修改了數百次，才使得激光與(yu) 薄膜的邂逅，能夠擦出正確顏色的花火。

這樣的修改，無“前車”可鑒。而最具挑戰的，是能夠產(chan) 生技術本身的“靈感”。事實上，該研究所開發的“紙”的主要結構，即在金屬反射層上添加半導體(ti) 吸收層，正是傳(chuan) 統微納加工製作結構色的常見結構；但將這一結構與(yu) 激光手段結合，並替換更合適的材料，“打印”出斑斕的顏色，就屬於(yu) “從(cong) 未有人做過”的嚐試了。

而這項技術開發前後曆時僅(jin) 約一年，能夠如此高效創新，既是站在“前人”的肩膀之上，也是基於(yu) 團隊經年累月的研究積累。仇旻團隊十數年開展著通過微納結構調控光吸收的研究，通訊作者之一石理平博士在德國做博後期間，在與(yu) 斯圖加特大學Harald Giessen教授的長期合作中了解到了氮化鈦這個(ge) 材料；在超快激光彩色打印技術方麵，前新加坡國立大學、現廈門大學洪明輝院士關(guan) 於(yu) 該領域的一篇詳實綜述，讓團隊注意到了激光無墨著色現有的技術手段和瓶頸。就在去年，團隊提出了利用氮化鈦（TiN）、氮化鋁（AlN）和氮化鋁鈦（TiAlN）這三種超硬陶瓷材料實現超級抗磨損的超薄彩色光學塗層（已發表於(yu) PhotoniX）；正是在這項研究中，團隊注意到了氮化鈦和氮化鋁鈦的光學和機械性能，由此產(chan) 生把這兩(liang) 種材料遷移到無墨打印技術之中的想法……

當然，眼前的成果並不意味著完結，它蘊含新的挑戰，也是新的起點——未來，仇旻團隊將繼續發展該項技術，實現新的突破：比如通過優(you) 化激光和複合薄膜的參數，進一步拓寬激光打印技術的色域，提高飽和度和顏色亮度；拓展新材料，讓顏色既可以打印出來，也可以擦除，降低打印成本；與(yu) 人工智能技術相結合，讓計算機代替人眼去挑選對應色塊，直接打印……步履不停，他們(men) 將一直逐“光”而行。

西湖大學是該論文唯一完成單位，耿嬌博士為(wei) 第一作者，石理平博士和國強講席教授仇旻為(wei) 論文通訊作者，合作作者還包括博士生許犁野和嚴(yan) 巍博士。該研究得到國家自然科學基金和浙江省自然科學基金的資助和西湖大學微納加工平台及理化測試平台的技術支持。

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