西湖大学实现飞秒激光无墨彩打--不消一滴油墨复原标致世界

曲径2英寸，手感轻如蝉翼；图案包罗13种色彩，未用到一滴油墨；肉眼色彩充沛，也将耐久闪烁下往……往年炎天，当每一位西湖大学的首届本科生翻开登科通知书礼盒时，城市欣喜地留意到进学纪念牌上镶嵌的那幅新颖的“科学碰头礼”晶圆片小画。

而事实上，半年前的此次退场，仅仅是科学家们牛刀初试的做品。近日，末于可以一睹那项手艺完全的“庐山实面目”——西湖大学仇旻团队在最新一期Nature Communications以“High-speed laser writing of structural colors for full-color inkless printing”为题解密相关工做，他们用由氮化钛和氮化铝钛那两种超硬陶瓷素材构成的复合薄膜做为特殊“纸张”，在其外表操纵超快激光停止微纳加工，实现“飞秒激光无墨彩打”，为激光无油墨彩色打印手艺的财产化利用供给了新构想。

熟悉的“有墨”打印，有什么问题吗？

那是一个常见的办公室或者家庭场景：你在电脑上笨重地按下“打印”按钮，毗连的打印机哗啦啦高效吐纸张，十分便当地，你手中就握着电子内容的彩色纸量版，无论是文件、图表仍是相片。

显然，跟着彩色打印机的普及，那成为千家万户的日常。目前，全世界打印机每年的销量接近1.5亿台。

然而，打印机是情况污染的重要来源之一，因为目前普遍利用的喷墨或激荣耀色打印机需要大量利用墨水或碳粉，而那些颜料会对情况形成不成漠视的污染，并对人体形成危害。墨水中含有必然浓度的铅、镉、汞、多溴联苯等挥发性的有害物量和元素；打印机工做时，碳粉也会释放出大量可被人体吸收的微颗粒。有研究表白，在一个密闭的房间内，当打印机工做时，空气中悬浮微粒的数量会比日常平凡高五倍。

若何脱节“有墨”？人类又一次向大天然“偷师”。

你还记得，近间隔赏识蝴蝶或虫豸的彩色同党，或者看察鸟类多彩羽毛的时候吗？你认为它们炫丽的色彩源于体内的色素（化学色），但现实上，那是构造色（物理色）的杰做。当光照射在细微处大量有序构造上，会发作折射、漫反射、衍射或干预等反响，由此就会产生颜色，那个过程其实并没有用到“颜料”。而且相关于颜料，构造色具有不褪色、高辨认、环保等长处。

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那么，我们能否能够效仿大天然，把构造色利用在无墨打印上？

科学家们停止了斗胆测验考试——操纵超快激光在素材外表造造微纳构造以产生构造色的计划，即超快激荣耀色打印手艺。在那种手艺中，光（激光）是“笔”，也是特殊构造“画布”的“铸就”者。好比，你身边各类传统的防伪码纸面，就是利用了激光诱导自组织纳米光栅产生的彩虹色，它在防伪方面有必然的利用价值，但不克不及产生指定颜色的图案。在加拿大，那项手艺还被用于硬币和纪念币的打印，但其打印色域较窄，仅能笼盖原则RGB原则颜色系统的15%色域范畴；且只能在贵金属外表产生，那意味着对素材限造大；色彩抗磨损性能也较差，随便褪色。

也就是说，虽然科学家们停止了各类摸索和测验考试，但或多或少都存在“缺憾”。若何拓宽超快激荣耀色打印的色域（也就是能打印更多颜色），并实现颜色不随看察角度改变，成为当前激光着色手艺研究需打破的关键问题。

以陶瓷为“纸”，以激光为“笔”，会擦出如何的火花？

纳米光子学与仪器手艺尝试室，那是西湖大学仇旻尝试室的“大名”。尝试室负责人仇旻，在过往20多年间不断“向光而行”，聚焦微纳光子学范畴的研究。

过往一年来，仇旻尝试室的研究人员立异性地提出操纵超快激光加工陶瓷复合陶瓷薄膜，在超快激荣耀色打印手艺上实现关键性打破。

图1. 超快激光在复合陶瓷薄膜外表停止着色原理示企图

该项手艺的核心起首在于他们创造了一种别致的“纸”——厚度不外约110纳米、仅为头发丝千分之一。那种“纸”分为三层：如图1所示，研究人员在单晶硅衬底上先后镀50纳米的氮化钛和60 纳米的氮化铝钛。第一层，也就是自上而下的更底层，是呈金属性的氮化钛，它将做为光的反射层——感化是阻挠光线穿透，并增加亮度。第二层，是高损耗的氮化铝钛电介量，将调控对天然光的吸收——正如我们所知，物品所闪现的颜色，是由他们吸收的光所决定的。第三层，是最顶层的氧化铝——当超快激光感化于氮化铝钛外表，会额外构成一层以氧化铝为主的通明薄膜，它将和氮化铝钛一路，调控所吸收的天然光。

因为氮化钛和氮化铝钛的硬度较大，它们被称为陶瓷素材，而那层“陶瓷”构成的如羽毛般轻盈的“纸”，将成为“外套”，附着在需打印图样的物品之上。

同时，仇旻团队研发了“笔”的另一种用法——那收笔，仍然是激光，不外在他们的手艺中，那收笔不再间接在物品外表创造构造，而是将在陶瓷薄膜纸长进行“雕琢”。激光将投在薄膜上，通过掌握进射激光的能量或扫描速度，即可同时改动氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度；在厚度改动后，进射的天然光将通过三层膜构造之间的复杂干预效应，构成特定的反射颜色。从而，丰富多彩的颜色就此成型，如图2a所示。

图2. 激光打印的典型色板(a)和色域范畴(b)

随后，研究人员操纵多种手艺手段如能量色散x射线、x射线光电子能谱、x射线衍射、聚焦离子束刻蚀对激光着色的区域停止素材阐发，证明看察到的色彩确实来自激光诱导构成的氧化层；也就是说，他们研发的“纸”与“笔”，末于实现了抱负中的激荣耀色无墨打印。

多彩、高效、历久弥新，复原标致世界

科学研究向前推进的每一步，都离不开兢兢业业的验证。履历了短暂的欢庆之后，研究团队随即投进对新手艺一轮轮的查验中。

他们欣喜地发现，操纵氮化钛和氮化铝钛那两种超硬陶瓷素材做成的“特殊纸张”，完全能够实现高速、高辨认、宽色域、大尺寸、看察角度不灵敏、抗老化的全彩色无油墨激光打印。

宽色域。目前，仇旻尝试室创造的“飞秒激光无墨彩打”手艺，已实现了接近90% 的RGB原则颜色系统（如图2b所示），远超当前支流的激光着色手艺。研究人员阐明道，与此前的“激光诱导不锈钢外表构成氧化薄膜”传统激光着色计划比拟，前者构成的为单层氧化膜、只要一个可变变量，而他们的激光诱导复合薄膜氧化，将可同时改动氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度，多了一个自在度，从而获得了更宽的色域。

高速、高辨认。该手艺可同时实现高速度和高辨认的全彩色无油墨打印。在打印速度方面，该手艺到达了创纪录的10 cm2/s，如图3所示。那意味着一张A4纸张，能够在1分钟内实现全彩色的打印。在打印辨认率方面，研究人员展现了10000 dpi的彩色打印，超出传统油墨打印的更高辨认率10倍以上。

图3. 动图展现超快激光在素材外表着色的过程

颜色不随看察角度改变。氮化铝钛的高吸收特征使得其界面处产生可看的额外相位差，抵消了由薄膜厚度差别招致的颜色随看察角度改变；简单理解，恰是因为那件“羽衣”如斯轻薄，因而在0-80°的范畴内，无论在哪个角度看测，颜色根本不会发作改变，而那恰是激光着色范畴的另一个难题（如图4所示）。

色彩“历久弥新”。研究人员停止了一系列毁坏性尝试，在高温高湿情况的测试了老化情状（双85尝试），在盐雾情况中测试了抗侵蚀性，并停止了光漂白、附出力等尝试，但“飞秒激光无墨彩打”的做品仍然“历久弥新”。那是因为氮化铝钛外表构成的致密氧化铝膜起到了很好的防护层感化。颠末一系各国家原则的抗老化测试，研究人员进一步证明激光在氮化铝钛上诱导构成的颜色色差仍＜7，完全契合工业化利用的需求。

图4. 差别角度下看察的激光着色色板

而最初一步尝试，最是“色彩斑斓”，“灿艳动听”。你能相信，那都是来自一群工科生的“艺术高文”吗？

毕加索名画《哭抽泣的女人》——

明朝闻名画家仇英的《汉宫春晓图》——

王羲之书法《兰亭集序》——

此中，《汉宫春晓图》是在粗拙的未抛光单晶硅外表打印的，《兰亭集序》则是打印在柔嫩的钢箔上。那也将是本激光打印手艺，较之同样闪现构造色的传统微纳加工手艺（如电子束刻蚀和纳米压印）的一个浩荡优势。

2022年，西湖大学首届本科生、杨振宁等20余位西湖大学参谋委员会成员，成为那项手艺的首批见证者（图5-6）。

图5. 仇旻尝试室研究人员为西湖大学第一批本科生造造的进学纪念品

图6. 仇旻尝试室研究人员为杨振宁先生造造的纪念品

将来，那项手艺将若何改动我们的生活？研究团队人员笑称，那个开放式命题交给公家做答。“你们虽然想象，我们负责实现”——在《流离地球2》上映后，中国航天科技集团、中国石油、中国石化、中粮集团等齐刷刷地向影片的壮丽妄想做出“回应”。而那句喊话，也恰是仇旻团队的心声。科学家的任务就是摸索前人未达之境，把不成能一步步酿成可能。

让那一场“光影高文”走得更远

从0到1的前行之路，历来都是充满荆棘。在手艺层面上，本文的第一做者耿娇博士表达，最难的部门是参数调试，为了闪现近90%的RGB原则色，他们修改了数百次，才使得激光与薄膜的相逢，可以擦出准确颜色的花火。

如许的修改，无“前车”可鉴。而更具挑战的，是可以产生手艺自己的“灵感”。事实上，本研究所开发的“纸”的次要构造，即在金属反射层上添加半导体吸收层，恰是传统微纳加工造造构造色的常见构造；但将那一构造与激光手段连系，并替代更适宜的素材，“打印”出斑斓的颜色，就属于“从未有人做过”的测验考试了。

而那项手艺开发前后历时仅约一年，可以如斯高效立异，既是站在“前人”的肩膀之上，也是基于团队经年累月的研究积存。仇旻团队十数年开展着通过微纳构造调控光吸收的研究，通信做者之一石理平博士在德国做博后期间，在与斯图加特大学Harald Giessen传授的持久协做中领会到了氮化钛那个素材；在超快激荣耀色打印手艺方面，前新加坡国立大学、现厦门大学洪明辉院士关于该范畴的一篇详实综述，让团队重视到了激光无墨着色现有的手艺手段和瓶颈。就在往年，本团队提出了操纵氮化钛(TiN)、氮化铝(AlN)和氮化铝钛(TiAlN)那三种超硬陶瓷素材实现超等抗磨损的超薄彩色光学涂层（已颁发于PhotoniX）；恰是在那项研究中，团队重视到了氮化钛和氮化铝钛的光学和机械性能，由此产生把那两种素材迁徙到无墨打印手艺之中的设法……

当然，面前的功效其实不意味着结束，它蕴含新的挑战，也是新的起点——将来，仇旻团队将陆续开展本项手艺，实现新的打破：好比通过优化激光和复合薄膜的参数，进一步拓宽本激光打印手艺的色域、进步饱和度和颜色亮度；拓展新素材，让颜色既能够打印出来，也能够擦除，降低打印成本；与人工智能手艺相连系，让计算机取代人眼往挑选对应色块，间接打印……步履不断，他们将不断逐“光”而行。

西湖大学是该论文独一完成单元，耿娇博士为第一做者，石理平博士和仇旻讲席传授为论文通信做者，协做做者还包罗博士生许犁野和严巍博士。本研究得到国度天然科学基金和浙江省天然科学基金的帮助和西湖大学微纳加工平台及理化测试平台的手艺撑持。

来源：西湖大学

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