编者：中喷网 墨宸
如今大多数印刷工艺都使用不同颜色的颜料。然而，还有一种叫做结构色的颜色，它通常利用纳米级结构与光相互作用来产生颜色。这些纳米结构通过折射和反射特定波长的光，可以产生极其鲜艳的色彩，而且（与颜料不同）除非结构发生物理改变，否则不会随时间褪色。结构色在自然界中很常见——例如，孔雀尾羽绚丽的色彩就是由结构色形成的——但使用传统印刷机很难将其印刷出来。
采用结构色油墨印刷的图像不褪色且无毒，既能对透射光高度透明（上图），又能从上方反射光线并呈现鲜艳的色彩（下图）——这两种特性通常被认为是相互排斥的。
大多数结构色制备方法都涉及通过周期性聚合物或透明氧化物纳米结构衍射光，但这些方法会产生强烈的虹彩效应——颜色随观察角度而变化——这会限制其在某些应用中的实用性。因此，要打印结构色材料，需要其他方法。
日本神户大学的研究人员成功开发出一种米氏共振硅纳米粒子墨水，可利用喷墨打印机将其打印到平面或三维表面上。米氏共振系统是一种高折射率粒子系统，能够增强特定波长下的光与物质的相互作用，从而提升光学效应。
“我们开展这项研究是为了将基本的米氏共振纳米光子学与可扩展的印刷技术联系起来，使结构色能够从实验室演示走向实际的大面积应用，”该研究的主要作者之一杉本博史解释说。
神户大学的研究团队一直在开发一种球形晶体硅纳米粒子，这种粒子具有高折射率和低消光系数，能够反射特定波长的光，从而产生特定的颜色。这些直径在100-200纳米之间的粒子被用作新型油墨的基础材料，从而取代了传统的、无法印刷的结构色材料。
研究人员希望开发出可以像传统油墨或涂料一样加工的结构色油墨。然而，他们最初发现，溶剂干燥后，颗粒容易聚集。这种聚集会改变颗粒与光的相互作用，并降低油墨的着色效果。为了解决这个问题，研究团队用厚厚的二氧化硅壳层包裹硅纳米颗粒，并将其配制成水性丙烯酸乳液。与晶体硅颗粒不同，这些保护壳层的折射率很低，因此不会弯曲光线。因此，它们形成了一种透明涂层，既能防止颗粒聚集，又不会影响结构色的输出效果。
研究人员使用纳米颗粒墨水，通过喷墨打印机在平面聚合物薄膜和3D金属表面上打印图像，分辨率介于每英寸250到125点之间。他们发现，由于纳米颗粒的米氏折射效应，图像呈现出光学不对称性——光线穿过图像（透射）和从上方反射时呈现不同的颜色。
研究人员还发现，可以通过改变纳米粒子的直径来调节色调。这使得他们能够利用不同粒径的纳米粒子墨水，创造出具有可调反射/透射颜色不对称性的多色图案。
“最重要的发现是我们利用硅纳米粒子实现了结构色印刷，克服了传统结构色系统长期以来对周期性阵列的依赖，”杉本说。
这些可调光可打印油墨的潜在应用包括防伪图像、半透明智能窗、智能显示屏以及色彩鲜艳且永不褪色的艺术品。例如，当油墨打印到显示器上时，显示屏开启时，打印的图像是不可见的。然而，当显示屏关闭时，图像就会显现出来，从而实现无需任何能源即可显示信息。
当被问及下一步的研究计划时，杉本告诉《物理世界》杂志：“在这项工作的基础上，我们旨在利用可扩展的纳米光子印刷技术，进一步控制和利用这种光学不对称性，用于多功能系统，例如建筑物和窗户上的防伪和装饰薄膜。”
该研究成果发表在《先进材料》杂志上。
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