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Nature:无中生有,柔性器件无墨印刷新玩法!

作者:
苏州印象镭射
来源:
www.gzlaser.com
日期:
2019/06/24 15:12
摘要:
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。  (吉丁虫和蝴蝶的外壳及鳞片的多层显微结构) 无墨彩色印刷 一 当柔性、透明聚合物弯曲或拉伸时,

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。

 

(吉丁虫和蝴蝶的外壳及鳞片的多层显微结构)

 

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。

 

(图片来源:自然杂志)

 

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。

 

(图片来源:自然杂志)

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。

 

研究人员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。

 

无墨彩色印刷  

同样因为观察蝴蝶翅膀,另一家企业研发出了不同方向的无墨彩色印刷技术。

 

无墨印刷烟包,来源苏州印象)

蝴蝶翅膀的彩色鳞片大部分是由两层重叠排列的、尺寸在100~300μm的小鳞片组成。鳞片排列紧密而有序与基质保持一定的倾角呈倒伏状并沿同一方向均匀覆盖在蝴蝶翅膀的基质上鳞片排与排之间有一定的首尾搭接相邻鳞片之间也有左右重叠部分类似屋顶上的瓦片。而下一层则比较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的纳微米结构安排形成了所谓的光子晶体,为物理微结构显色奠定了基础。

 

蓝闪蝶(Blue Morpho),我们放大其翅膀鳞片,最终可以看到这些像圣诞树一样的脊形表面,正是这种脊形分支让蓝闪蝶可以抵消其他颜色光线,最终反射出蓝色。

物理结构显色

物理结构显色是指,当膜的表面被刻上极其微小的纳米级的结构时, 即可使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉, 进而产生各种肉眼可辨的色彩和图案。因为微纳光学结构色具有不褪色、环保和虹彩效应等优点,在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。

(利用微结构条纹显示真彩色3D立体图像,来源苏州印象)

 

技术优点

苏州印象镭射科技有限公司正在不断的尝试用物理结构(微纳米光学技术)显色来代替传统的油墨印刷,在证卡防伪、标签、包装、装饰等领域做推广应用,并且取得了一系列应用成果。微纳光学纹理技术目前已经成为CMF产品外观设计的热点和优选方案,原因在于以下三个方面:

1微纳光学纹理可以满足丰富的外观效果设计,不但可以表现颜色,还可以表达动态变化和空间三维立体;

2、微纳光学纹理可以直接代替油墨印刷、电镀、喷涂等环节,生产具有节能减排的作用,产品健康安全;

3、微纳光学纹理科技感强,可以在纸张、塑料、金属、玻璃等载体上实现,应用范围较广。

 

小结

 不论是通过对裂纹的控制来获得色彩,还是通过微结构显色,其本质都是不采用油墨印刷技术,实现物体表面的色彩感,是向安全环保印刷迈出的重要一步。

关于无油墨印刷技术,我们会持续关注。

 

文章部分内容观点来自《纳米人》 如有侵权请联系删除

参考文献:

1Masateru M. Ito et al. Structural colourusing organized microfibrillation in glassy polymer films. Nature 2019, 570, 363367.

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

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

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

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