Nature：无中生有，柔性器件无墨彩印新玩法！

晴天

2019-06-20

当我们想到彩色印刷的时候，我们首先想到的就是彩色油墨，是不是？如果你想给透明聚合物进行着色，常规方案就是油墨着色，即通过含有颜料的油墨进行印刷着色。其实，我们还有更酷炫的第二种方案：结构着色，即通过材料内产生的微观结构而着色，不需要油墨也可以产生彩色。在自然界，结构颜色并不少见，蝴蝶翅膀就是其中一例。

无墨彩色印刷

当柔性、透明聚合物弯曲或拉伸时，材料的部分区域会先发白，然后产生裂纹。聚合物中的裂纹图案在垂直于所施加的应力的方向上形成，由高度取向的聚合物微纤维与微米级空隙组成。不受控制的裂纹中，微孔和微纤维尺寸变化很大，会产生各种波长的光，这就是为什么裂纹通常看起来是白色的。

为了避免材料开裂，Ito及其合作者发展了一种全新的材料裂纹控制技术，并实现了结构着色，不需要油墨就能在各种柔性和透明聚合物材料上高分辨率印刷彩色。

控制材料裂纹

研究表明，通过控制裂纹，会交替形成致密的无孔层与多孔层，可以加强不同层的反射光的干涉，从而产生特定的颜色。研究团队通过控制聚合物应力场来控制裂纹的产生。当在光敏聚合物膜中形成“驻波”光图案时，层上聚合物分子之间会选择性地发生交联，而在相邻的另一层则不会发生交联，且非交联层会产生拉伸应力作者将这种层状薄膜放置于溶剂中，通过在非交联层中形成裂纹来释放应力。因此，所得到的薄膜含有交替、致密的多孔层，使材料折射率产生周期性变化。照射在薄膜上的光在连续的裂纹层上反射，所产生的干涉效应导致结构着色。

裂纹中的微孔实际上是微小的裂缝，必须控制裂缝的形成以控制裂纹过程。然而，裂缝形成过程比非晶态材料（如聚合物薄膜）更复杂，更难以控制。研究人员进行了一系列实验来研究各种透明聚合物薄膜中周期性裂纹形成的物理机制和最佳条件。

作为典型案例，研究人员的案例只实现了少数几种颜色作为案例，但是通过精确调控交替的层间距离理论上可以产生各种各样的颜色。控制层间距离的几个关键因素包括：1）用于产生层的光的波长和用于照射膜的时间量聚合物的类型和分子量；2）薄膜的初始厚度；3）用于产生裂纹的溶剂的类型和温度；4）薄膜在溶剂中浸泡的时间。

技术优点

1. 实用性：这并不是第一次在多层透明薄膜中观察到结构着色。然而，之前的大多数研究都涉及复杂且昂贵的方法，而且交替的薄膜层需要再真空条件下沉积在基板上。相比之下，本文所开发的是一种更简单，更廉价，更具有实际可操作性的方法。

2. 高分辨率：研究人员进一步发现，通过控制裂纹还可以以极高的分辨率（每英寸高达14,000点）实现无墨彩色打印。而以喷墨印刷为代表传统的彩色印刷方法（例如喷墨印刷）的分辨率通常仅为每英寸600-1,200个点，这可能受限于所产生的墨滴尺寸和墨水扩散速度。

3. 普适性：更重要的是，这种无墨彩色打印的印刷时间不会强烈依赖于基材的尺寸，因为它是一个平行过程（整个图案同时印刷到薄膜中），而传统的喷墨印刷是串行写入过程，需要相当长的时间来打印大面积区域。

小结

通过简单的策略为聚合物着色技术带来了变革性突破，但是，与任何新技术一样，在商业应用之前还需要克服几个问题：1）对其他材料的普适性的详细验证；2）探索更深入的物理机制，进一步揭示该方法如何应用于任何聚合物材料。

总之，对裂纹的精确控制不仅为柔性电子设备和传感器中涉及的透明聚合物材料着色带来了新的启发，还可能会在透明聚合物中找到超越无墨彩色印刷的新应用。这是一个有趣的现象，值得我们去探索。

参考文献：

【1】Masateru M. Ito et al. Structural colourusing organized microfibrillation in glassy polymer films. Nature 2019, 570, 363–367.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1299-8

【2】Seung Hwan Ko. Crazy colour printingwithout ink. Nature 2019, 570, 312-313.

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01856-6