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  結構色來源于微觀物理結構與光之間的相互作用，由于結構色的呈現不需使用染料、色素等化學物質，所以它可以抵抗光的曝曬，避免有毒材料的使用，是一種更加環保和穩定的呈色方式。目前，結構色的設計與調控通常依靠兩種方式，第一種是借助先進的微納米加工技術，對物質微觀形貌的高精度控制; 第二種是利用“自下而上”的組裝方法來制備光子晶體，通過控制組裝單元的周期與形貌，對光子晶體的帶隙進行調制。但是“自上而下”的微加工制備技術通常需要昂貴的光刻設備和復雜的加工工藝，這阻礙了其在結構色中的廣泛應用。組裝的方式成本較低，但是由于組裝材料的合成和加工都需要精確控制，以及組裝裂紋缺陷的普遍存在，也限制了其在很多領域中的應用。另外, 為了促進結構色的應用拓展，往往需要把結構色像素點制備成有序的圖案或者圖像，但是由于結構色的像素點是由眾多周期與形貌存在差異的微納結構，將這些呈色物理結構精確制備并集成為高質量的彩色圖像，仍然是一個巨大的挑戰。

  針對彩色結構色圖像難以利用普通的材料、常見的工藝制備這個難題，中科院化學研究所的宋延林研究員、李明珠研究員與復旦大學的石磊教授等合作，通過精準控制微小液滴的成型打印與深入研究全內反射光學微結構呈色的普適模型，發展了一種利用透明高分子墨水打印全彩結構色圖像的方法。該方法僅利用一種透明的高分子聚合物墨水，通過精確調控打印基材的浸潤性與打印墨滴的尺寸和形貌，便實現了全色系彩色像素點的精準制備與全彩結構色圖像的直接打印。它不僅突破了人們對彩色印刷與彩色打印的固有認知（即呈現不同的顏色需要不同的墨水），更有望推動結構色在顯示、防偽、以及高靈敏傳感等領域的應用。

圖1. 基于透明聚合物墨水打印彩色圖像的過程與結果

  精確并高效地制備“全內反射”光學微結構是實現透明墨水印刷彩色的基礎。研究人員基于對打印液滴精準成形的長期研究，發現通過控制基材的表面能可以對聚合物液滴的沉積形貌進行精確控制。當聚合物液滴沉積到疏水基材并達到穩態平衡時，在表面張力的作用下會自發收縮為一個表面光滑的“穹頂”結構；而當另一液滴在同一位置被精確釋放后會與其均勻融合，經過二次回縮形成一個直徑擴大的“穹頂”結構。

圖2. 聚合物液滴沉積形貌的觀察

  基于此，該團隊制備了一系列不同浸潤性的基材來調控聚合物墨滴打印沉積后的微結構形貌，并利用計算機程序精確設計每個位點墨滴沉積的數目以控制打印位點的尺寸形貌，從而實現了對聚合物光學微結構曲率以及尺寸的精準控制。曲率相同但尺寸不同的微尺度光學界面，可以對不同波長的光進行選擇性地干涉增強，進而可以實現對特定波段顏色的反射，獲得全色像素點。

圖3. 全色彩色像素點的精確制備

  此外，通過對不同打印像素點空間位置的精確分布，他們還解決了結構色難以實現的棕色、白色、銀色等特殊色制備的難題。復雜的色彩可以通過對基礎顏色像素點的精確復合進行調控。

圖4. 像素點復合調控色彩

  研究人員利用計算機程序，模擬了不同顏色像素點的復合，并利用設定的程序對噴墨打印技術進行程序化控制，將不同的基礎色像素點進行了有序高精度打印，成功地制備出了白色、銀色、棕色等多種特殊色，并通過調控像素點的空間密度實現了對色彩亮度的控制，制備了復雜結構色的集成化色板。

圖5. 宏觀色板的全色打印制備與調控

  研究者還探索了光學結構形貌與顏色的規律，利用高精度噴墨打印實現墨滴精準成形，制備出了各種結構色圖案，并通過對結構色像素點顏色與灰度的精確控制，只需要一種透明的聚合物墨水，在不添加任何染料色素的前提下，就能打印出各種形象逼真的彩色圖像。

圖6. 彩色結構色圖像的打印

  這種技術具有廣泛的普適性，幾乎任何可以制成透明墨水的高分子材料都可以應用于全色系結構色圖案的打印。

圖7. 高分子墨水打印成色的普適化

  綜上所述，該研究團隊通過對打印墨滴精準成型的精確控制，發展了一種利用普通透明的聚合物墨水，實現全彩結構色圖像打印的普適方法。這項研究為結構色的實用化開辟了新的途徑，有望在綠色印刷、彩色顯示、防偽加密和高靈敏傳感等領域得到廣泛的應用。該研究成果近日以“Facile full-color printing with a single transparent ink”為題發表在期刊 Science Advances (Sci. Adv. 2021; 7 : eabh1992)上。這項工作的第一完成單位為中科院化學研究所，化學研究所博士生李凱旋為論文的第一作者，復旦大學博士生李同宇，鄭州大學碩士生張泰隆為共同一作。通訊作者為化學研究所的宋延林研究員和李明珠研究員。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1992

  下載：Facile full-color printing with a single transparent ink