這個五彩繽紛的世界，色彩從哪里來？人類最早用于藝術(shù)與服裝的顏色是天然色素和染料，它們選擇性地吸收某些波長的可見光。相比之下還有另外一種產(chǎn)生色彩的途徑，某些蝴蝶翅膀和蛋白石上的顏色則來源于材料表面的微納米結(jié)構(gòu)對光波反射和折射，這種效應(yīng)被稱為結(jié)構(gòu)色。

蝴蝶翅膀和蛋白石的結(jié)構(gòu)色。圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

基于這種特別的顯色原理，結(jié)構(gòu)色具有抗褪色和環(huán)保的特點，然而，高成本和復(fù)雜的加工成為目前制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。2019年，賓夕法尼亞州立大學(xué)Lauren D. Zarzar課題組發(fā)現(xiàn)了一種基于微尺度曲面的全內(nèi)反射和干涉產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的新機制，并實現(xiàn)了利用無色液滴操縱彩虹色的方法。

圖片來源：Nature [1]

近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所的李明珠研究員和宋延林研究員等人在Science Advances 雜志上發(fā)表論文，進一步拓展了全內(nèi)反射和干涉機制，開發(fā)出一種簡單易行的使用無色墨水的全彩色噴墨打印策略。通過控制普通聚合物材料制成的墨水和基板的潤濕性，就可以打印出整個可見光區(qū)域內(nèi)的顏色，且色彩飽和度、亮度等都可以精確調(diào)控。這為低成本、高產(chǎn)量的結(jié)構(gòu)全彩色打印開辟了一條可行的道路。

圖片來源：Sci. Adv.

無色墨水的配方極為簡單，只需將聚丙烯酸溶解到水和乙二醇的混合物中，就可以直接制備。當墨滴印刷在疏水透明的基底上時，在表面張力的作用下快速收縮，形成具有較大曲率角的微圓頂狀。疏水基底保證了墨滴較大的接觸角（82.5°）和較高的高度與直徑比。墨滴利用全內(nèi)反射效應(yīng)產(chǎn)生干涉顏色，且可以通過改變直徑進行調(diào)節(jié)。比如，直徑為16.2、20.3和23.5 μm的微圓頂狀墨滴分別顯示出紅色、藍色和綠色。

結(jié)構(gòu)色噴墨打印。圖片來源：Sci. Adv.

那么，想要實現(xiàn)全彩色打印，需要如何調(diào)節(jié)墨滴呢？研究者模擬計算了墨滴的直徑和接觸角對色彩的影響。當接觸角大于46°時，可以產(chǎn)生顏色。在相同基底和接觸角條件下（65~75 °），可以通過調(diào)節(jié)墨滴的直徑從3 μm到12 μm，實現(xiàn)整個可見光范圍的全彩色打印，且模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合。

全彩色打印調(diào)節(jié)。圖片來源：Sci. Adv.

每個微圓頂狀墨滴作為一個像素點，將不同顏色的像素點按照一定的空間分布進行編程，就可以打印出不同顏色的圖案。色彩的亮度可以通過打印分辨率進行調(diào)節(jié)，即微圓頂狀墨滴的打印間距。隨著打印分辨率降低、墨滴密度減小，顏色的亮度隨之降低。

彩色微圓頂墨滴的可編程打印。圖片來源：Sci. Adv.

隨后，研究者通過計算機模擬獲得了全彩色打印參數(shù)，只需知道墨水的折射率、接觸角等指標，就可以迅速解碼出彩色照片的信息，并轉(zhuǎn)化為微圓頂陣列，包括直徑、位置等指令發(fā)送給打印機。無需任何復(fù)雜的設(shè)計或繁瑣的工藝，即可高效地完成全彩色圖像打印，包括昆蟲、花鳥、二維碼以及人像。

全彩色圖案打印示例。圖片來源：Sci. Adv.

有趣的是，由于印刷結(jié)構(gòu)不對稱的微觀形態(tài)，圖案表現(xiàn)出光學(xué)上的“Janus”特性，即，結(jié)構(gòu)色只有從下往上看才能呈現(xiàn)，如果將玻璃板翻轉(zhuǎn)，它看起來幾乎是透明的。這或許在智能窗戶、動態(tài)顯示、防偽技術(shù)和傳感器等領(lǐng)域有著潛在的實際應(yīng)用價值。此外，該方法具有普適性，許多商用聚合物材料，如甲基丙烯酸羥乙酯、聚乙二醇等都可作為墨水應(yīng)用于結(jié)構(gòu)全彩色打印。

結(jié)構(gòu)全彩色打印墨水及光學(xué)Janus特性。圖片來源：Sci. Adv.