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在纳米级薄膜上,飞秒激光实现全彩色无油墨打印
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:2803    更新时间:2023/2/13         ★★★

在自然界中,当光照射在细微处大量有序结构上,会发生折射、漫反射、衍射或干涉等反应,由此产生的颜色被称作结构色,比如昆虫和鸟类呈现出的彩色翅膀。这一过程并未用到“颜料”。西湖大学的仇旻教授和团队成员从这个现象中获得灵感,尝试利用超快激光在材料表面制造微纳结构以产生结构色。

  近日,国际期刊《自然·通讯》刊登了该团队的研究成果。研究人员将氮化钛和氮化铝钛这两种超硬陶瓷材料组成的复合薄膜作为特殊“纸张”,在其表面利用超快激光进行微纳加工,实现“飞秒激光无墨彩印”,为激光无油墨彩色打印技术的产业化应用提供了新思路。

  全球范围内,打印机的年销售量可达上亿台。目前广泛使用的喷墨或激光彩色打印机需要大量使用墨水或碳粉,墨水中含有一定浓度的铅、镉、汞、多溴联苯等具有挥发性的有害物质,碳粉也会释放出可被人体吸收的微颗粒,对环境与人体形成危害。相比墨水颜料,结构色具有不褪色、高分辨、环保等优点。

  在超快激光打印技术中,激光既是“笔”,也负责制作有特殊结构的陶瓷材料。“比如各类传统的防伪码纸面,应用激光诱导纸面微观组织光栅可产生彩虹色,在防伪方面有一定的应用价值,但不能产生指定颜色的图案。”研究人员介绍,这类技术也被用于纪念币的打印,但存在打印色域较窄、只能在贵金属表面产生、成品容易褪色等情况。

  科技日报记者了解到,此次技术突破的核心首先在于,团队发明了一种新颖的“纸”——厚度不过约110纳米、仅为头发丝千分之一的复合陶瓷薄膜。

  这种“纸”分为3层:最底层是呈金属性的氮化钛,作为光的反射层,用于阻挡光线穿透并增加亮度;中间层是高损耗的氮化铝钛电介质,可调控对自然光的吸收;最顶层是氧化铝,当超快激光作用于氮化铝钛表面,会额外形成一层以氧化铝为主的透明薄膜,它和氮化铝钛一起,调控吸收到的自然光。

  同时,该团队用激光在陶瓷薄膜上进行“雕刻”:将激光投在薄膜上后,通过控制入射激光的能量或扫描速度,便可同时改变氧化膜(氧化铝)和氮化铝钛膜的厚度;在厚度改变后,入射的自然光将通过3层膜结构之间的复杂干涉效应,形成特定的反射颜色,丰富多彩的颜色就此成型。

  研究人员利用多种技术手段,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,对激光着色的区域进行材料分析,证实观察到的色彩的确来自激光诱导形成的氧化层。

  目前,仇旻团队发明的“飞秒激光无墨彩印”技术,可同时实现高速度和高分辨的全彩色无油墨打印,能够呈现出接近90%的RGB标准颜色系统,优于当前主流的激光着色技术。

 

 

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