發(fā)布時(shí)間：2023年2月8日
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西湖大學(xué)仇旻團(tuán)隊(duì)用氮化鈦和氮化鋁鈦組成的復(fù)合薄膜，作為特殊“紙張”，在其表面利用超快激光進(jìn)行微納加工，實(shí)現(xiàn)“飛秒激光無墨彩打”，為激光無油墨彩色打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了新思路。近日，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《自然—通訊》上。
據(jù)悉，西湖大學(xué)博士耿嬌為第一作者，博士石理平和國強(qiáng)講席教授仇旻為論文通訊作者，合作作者還包括西湖大學(xué)博士生許犁野和博士嚴(yán)巍。
打印機(jī)是環(huán)境污染的重要來源之一，因?yàn)槟壳皬V泛使用的噴墨或激光彩色打印機(jī)需要大量使用墨水或碳粉，而這些顏料會(huì)對(duì)環(huán)境造成不可忽視的污染，并對(duì)人體造成危害。如何擺脫“有墨”？
這項(xiàng)技術(shù)的核心首先在于他們發(fā)明了一種新穎的“紙”——厚度不過約110納米、僅為頭發(fā)絲千分之一。這種“紙”分為三層：研究人員在單晶硅襯底上先后鍍50納米的氮化鈦和60 納米的氮化鋁鈦。由于氮化鈦和氮化鋁鈦的硬度較大，它們被稱為陶瓷材料，而這層“陶瓷”構(gòu)成的如羽毛般輕盈的“紙”，將成為“外衣”，附著在需打印圖樣的物品之上。
同時(shí)，仇旻實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了“筆”的另一種用法——在陶瓷薄膜紙上進(jìn)行“雕刻”。激光將投在薄膜上，通過控制入射激光的能量或掃描速度，便可同時(shí)改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦膜的厚度；在厚度改變后，入射的自然光將通過三層膜結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜干涉效應(yīng)，形成特定的反射顏色。從而，豐富多彩的顏色就此成型。
他們發(fā)現(xiàn)，利用氮化鈦和氮化鋁鈦這兩種超硬陶瓷材料做成的“特殊紙張”，完全可以實(shí)現(xiàn)高速、高分辨、寬色域、大尺寸、觀察角度不敏感、抗老化的全彩色無油墨激光打印。
目前，仇旻實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的“飛秒激光無墨彩打”技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)了接近90% 的RGB標(biāo)準(zhǔn)顏色系統(tǒng)，遠(yuǎn)超當(dāng)前主流的激光著色技術(shù)。他們的激光誘導(dǎo)復(fù)合薄膜氧化，將可同時(shí)改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦膜的厚度，多了一個(gè)自由度，從而獲得了更寬的色域。
該技術(shù)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度和高分辨的全彩色無油墨打印。在打印速度方面，該技術(shù)達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的10 cm2/s。這意味著一張A4紙張，可以在1分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)全彩色的打印。在打印分辨率方面，超出傳統(tǒng)油墨打印的最高分辨率10倍以上。
氮化鋁鈦的高吸收特性使得其界面處產(chǎn)生可觀的額外相位差，抵消了由薄膜厚度差異導(dǎo)致的顏色隨觀察角度變化。簡單理解，正是因?yàn)檫@件“羽衣”如此輕薄，因而在0-80°的范圍內(nèi)，無論在哪個(gè)角度觀測，顏色基本不會(huì)發(fā)生變化，而這正是激光著色領(lǐng)域的另一個(gè)難題。
研究人員進(jìn)行了一系列破壞性實(shí)驗(yàn)，但“飛秒激光無墨彩打”的作品仍然“歷久彌新”。經(jīng)過一系列國家標(biāo)準(zhǔn)的抗老化測試，研究人員進(jìn)一步證實(shí)激光在氮化鋁鈦上誘導(dǎo)形成的顏色色差仍＜7，完全符合工業(yè)化應(yīng)用的需求。
而最后一步實(shí)驗(yàn)，最是“色彩斑斕”。你能相信，這都是來自一群工科生的“藝術(shù)大作”嗎？
“飛秒激光無墨彩打”的作品——畢加索名畫《哭泣的女人》
“飛秒激光無墨彩打”的作品——明朝畫家仇英的《漢宮春曉圖》
“飛秒激光無墨彩打”的作品——王羲之書法《蘭亭集序》
(仇旻實(shí)驗(yàn)室供圖)
來源：中國科學(xué)報(bào) 發(fā)布時(shí)間：2023/2/8 14:48:15