中科院化学所宋延林研究员课题组《Sci. Adv. 》在透明聚合物墨水的结构色打印上取得突破

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结构色来源于微观物理结构与光之间的相互作用，由于结构色的呈现不需使用染料、色素等化学物质，所以它可以抵抗光的曝晒，避免有毒材料的使用，是一种更加环保和稳定的呈色方式。目前，结构色的设计与调控通常依靠两种方式，第一种是借助先进的微纳米加工技术，对物质微观形貌的高精度控制; 第二种是利用“自下而上”的组装方法来制备光子晶体，通过控制组装单元的周期与形貌，对光子晶体的带隙进行调制。但是“自上而下”的微加工制备技术通常需要昂贵的光刻设备和复杂的加工工艺，这阻碍了其在结构色中的广泛应用。组装的方式成本较低，但是由于组装材料的合成和加工都需要精确控制，以及组装裂纹缺陷的普遍存在，也限制了其在很多领域中的应用。另外, 为了促进结构色的应用拓展，往往需要把结构色像素点制备成有序的图案或者图像，但是由于结构色的像素点是由众多周期与形貌存在差异的微纳结构，将这些呈色物理结构精确制备并集成为高质量的彩色图像，仍然是一个巨大的挑战。

针对彩色结构色图像难以利用普通的材料、常见的工艺制备这个难题，中科院化学研究所的宋延林研究员、李明珠研究员与复旦大学的石磊教授等合作，通过精准控制微小液滴的成型打印与深入研究全内反射光学微结构呈色的普适模型，发展了一种利用透明高分子墨水打印全彩结构色图像的方法。该方法仅利用一种透明的高分子聚合物墨水，通过精确调控打印基材的浸润性与打印墨滴的尺寸和形貌，便实现了全色系彩色像素点的精准制备与全彩结构色图像的直接打印。它不仅突破了人们对彩色印刷与彩色打印的固有认知（即呈现不同的颜色需要不同的墨水），更有望推动结构色在显示、防伪、以及高灵敏传感等领域的应用。

图1. 基于透明聚合物墨水打印彩色图像的过程与结果

精确并高效地制备“全内反射”光学微结构是实现透明墨水印刷彩色的基础。研究人员基于对打印液滴精准成形的长期研究，发现通过控制基材的表面能可以对聚合物液滴的沉积形貌进行精确控制。当聚合物液滴沉积到疏水基材并达到稳态平衡时，在表面张力的作用下会自发收缩为一个表面光滑的“穹顶”结构；而当另一液滴在同一位置被精确释放后会与其均匀融合，经过二次回缩形成一个直径扩大的“穹顶”结构。

视频1 聚合物液滴沉积在疏水基底，形成 “穹顶” 结构的动态过程

图2. 聚合物液滴沉积形貌的观察

基于此，该团队制备了一系列不同浸润性的基材来调控聚合物墨滴打印沉积后的微结构形貌，并利用计算机程序精确设计每个位点墨滴沉积的数目以控制打印位点的尺寸形貌，从而实现了对聚合物光学微结构曲率以及尺寸的精准控制。曲率相同但尺寸不同的微尺度光学界面，可以对不同波长的光进行选择性地干涉增强，进而可以实现对特定波段颜色的反射，获得全色像素点。

图3. 全色彩色像素点的精确制备

此外，通过对不同打印像素点空间位置的精确分布，他们还解决了结构色难以实现的棕色、白色、银色等特殊色制备的难题。复杂的色彩可以通过对基础颜色像素点的精确复合进行调控。

视频2 透明墨滴被打印成彩色像素点的实时记录

图4. 像素点复合调控色彩

研究人员利用计算机程序，模拟了不同颜色像素点的复合，并利用设定的程序对喷墨打印技术进行程序化控制，将不同的基础色像素点进行了有序高精度打印，成功地制备出了白色、银色、棕色等多种特殊色，并通过调控像素点的空间密度实现了对色彩亮度的控制，制备了复杂结构色的集成化色板。

视频3 打印像素点的可集成化制备与程序化调控的实时记录

图5. 宏观色板的全色打印制备与调控

研究者还探索了光学结构形貌与颜色的规律，利用高精度喷墨打印实现墨滴精准成形，制备出了各种结构色图案，并通过对结构色像素点颜色与灰度的精确控制，只需要一种透明的聚合物墨水，在不添加任何染料色素的前提下，就能打印出各种形象逼真的彩色图像。

图6. 彩色结构色图像的打印

这种技术具有广泛的普适性，几乎任何可以制成透明墨水的高分子材料都可以应用于全色系结构色图案的打印。

图7. 高分子墨水打印成色的普适化

综上所述，该研究团队通过对打印墨滴精准成型的精确控制，发展了一种利用普通透明的聚合物墨水，实现全彩结构色图像打印的普适方法。这项研究为结构色的实用化开辟了新的途径，有望在绿色印刷、彩色显示、防伪加密和高灵敏传感等领域得到广泛的应用。该研究成果近日以“Facile full-color printing with a single transparent ink”为题发表在期刊 Science Advances (Sci. Adv. 2021; 7 : eabh1992)上。这项工作的第一完成单位为中科院化学研究所，化学研究所博士生李凯旋为论文的第一作者，复旦大学博士生李同宇，郑州大学硕士生张泰隆为共同一作。通讯作者为化学研究所的宋延林研究员和李明珠研究员。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1992

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