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Nature:無中生有,柔性器件無墨印刷新玩法!

作者:
蘇州印象鐳射
來源:
www.tmomda.live
日期:
2019/06/24 15:12
摘要:
當我們想到彩色印刷的時候,我們首先想到的就是彩色油墨,是不是?如果你想給透明聚合物進行著色,常規方案就是油墨著色,即通過含有顏料的油墨進行印刷著色。其實,我們還有更酷炫的第二種方案:結構著色,即通過材料內產生的微觀結構而著色,不需要油墨也可以產生彩色。在自然界,結構顏色并不少見,蝴蝶翅膀就是其中一例。??(吉丁蟲和蝴蝶的外殼及鱗片的多層顯微結構)?無墨彩色印刷?一?當柔性、透明聚合物彎曲或拉伸時,

當我們想到彩色印刷的時候,我們首先想到的就是彩色油墨,是不是?如果你想給透明聚合物進行著色,常規方案就是油墨著色,即通過含有顏料的油墨進行印刷著色。其實,我們還有更酷炫的第二種方案:結構著色即通過材料內產生的微觀結構而著色,不需要油墨也可以產生彩色。在自然界,結構顏色并不少見,蝴蝶翅膀就是其中一例。

 

(吉丁蟲和蝴蝶的外殼及鱗片的多層顯微結構)

 

無墨彩色印刷  

 當柔性、透明聚合物彎曲或拉伸時,材料的部分區域會先發白,然后產生裂紋。聚合物中的裂紋圖案在垂直于所施加的應力的方向上形成,由高度取向的聚合物微纖維與微米級空隙組成。不受控制的裂紋中,微孔和微纖維尺寸變化很大,會產生各種波長的光,這就是為什么裂紋通常看起來是白色的。

 

為了避免材料開裂,Ito及其合作者發展了一種全新的材料裂紋控制技術,并實現了結構著色,不需要油墨就能在各種柔性和透明聚合物材料上高分辨率印刷彩色。

 

(圖片來源:自然雜志)

 

控制材料裂紋

研究表明,通過控制裂紋,會交替形成致密的無孔層與多孔層,可以加強不同層的反射光的干涉,從而產生特定的顏色。研究團隊通過控制聚合物應力場來控制裂紋的產生。當在光敏聚合物膜中形成“駐波”光圖案時,層上聚合物分子之間會選擇性地發生交聯,而在相鄰的另一層則不會發生交聯,且非交聯層會產生拉伸應力,作者將這種層狀薄膜放置于溶劑中,通過在非交聯層中形成裂紋來釋放應力。因此,所得到的薄膜含有交替、致密的多孔層,使材料折射率產生周期性變化。照射在薄膜上的光在連續的裂紋層上反射,所產生的干涉效應導致結構著色。

 

(圖片來源:自然雜志)

裂紋中的微孔實際上是微小的裂縫,必須控制裂縫的形成以控制裂紋過程。然而,裂縫形成過程比非晶態材料(如聚合物薄膜)更復雜,更難以控制。研究人員進行了一系列實驗來研究各種透明聚合物薄膜中周期性裂紋形成的物理機制和最佳條件。

 

研究人員只實現了少數幾種顏色作為案例,但是通過精確調控交替的層間距離理論上可以產生各種各樣的顏色。控制層間距離的幾個關鍵因素包括:

1)用于產生層的光的波長和用于照射膜的時間量聚合物的類型和分子量;

2)薄膜的初始厚度;

3)用于產生裂紋的溶劑的類型和溫度;

4)薄膜在溶劑中浸泡的時間。

 

 

技術優點

1. 實用性:這并不是第一次在多層透明薄膜中觀察到結構著色。然而,之前的大多數研究都涉及復雜且昂貴的方法,而且交替的薄膜層需要再真空條件下沉積在基板上。相比之下,本文所開發的是一種更簡單,更廉價,更具有實際可操作性的方法。 

 

2. 高分辨率:研究人員進一步發現,通過控制裂紋還可以以極高的分辨率(每英寸高達14,000點)實現無墨彩色打印。而以噴墨印刷為代表傳統的彩色印刷方法(例如噴墨印刷)的分辨率通常僅為每英寸600-1,200個點,這可能受限于所產生的墨滴尺寸和墨水擴散速度。

 

3. 普適性:更重要的是,這種無墨彩色打印的印刷時間不會強烈依賴于基材的尺寸,因為它是一個平行過程(整個圖案同時印刷到薄膜中),而傳統的噴墨印刷是串行寫入過程,需要相當長的時間來打印大面積區域。

 

無墨彩色印刷  

同樣因為觀察蝴蝶翅膀,另一家企業研發出了不同方向的無墨彩色印刷技術。

 

無墨印刷煙包,來源蘇州印象)

蝴蝶翅膀的彩色鱗片大部分是由兩層重疊排列的、尺寸在100~300μm的小鱗片組成。鱗片排列緊密而有序與基質保持一定的傾角呈倒伏狀并沿同一方向均勻覆蓋在蝴蝶翅膀的基質上鱗片排與排之間有一定的首尾搭接相鄰鱗片之間也有左右重疊部分類似屋頂上的瓦片。而下一層則比較光滑。蝴蝶翅膀這種井然有序的納微米結構安排形成了所謂的光子晶體,為物理微結構顯色奠定了基礎。

 

藍閃蝶(Blue Morpho),我們放大其翅膀鱗片,最終可以看到這些像圣誕樹一樣的脊形表面,正是這種脊形分支讓藍閃蝶可以抵消其他顏色光線,最終反射出藍色。

物理結構顯色

物理結構顯色是指,當膜的表面被刻上極其微小的納米級的結構時, 即可使光波發生折射、漫反射、衍射或干涉, 進而產生各種肉眼可辨的色彩和圖案。因為微納光學結構色具有不褪色、環保和虹彩效應等優點,在顯示、裝飾、防偽等領域具有廣闊的應用前景。

(利用微結構條紋顯示真彩色3D立體圖像,來源蘇州印象)

 

技術優點

蘇州印象鐳射科技有限公司正在不斷的嘗試用物理結構(微納米光學技術)顯色來代替傳統的油墨印刷,在證卡防偽、標簽、包裝、裝飾等領域做推廣應用,并且取得了一系列應用成果。微納光學紋理技術目前已經成為CMF產品外觀設計的熱點和優選方案,原因在于以下三個方面:

1微納光學紋理可以滿足豐富的外觀效果設計,不但可以表現顏色,還可以表達動態變化和空間三維立體;

2、微納光學紋理可以直接代替油墨印刷、電鍍、噴涂等環節,生產具有節能減排的作用,產品健康安全;

3、微納光學紋理科技感強,可以在紙張、塑料、金屬、玻璃等載體上實現,應用范圍較廣。

 

小結

 不論是通過對裂紋的控制來獲得色彩,還是通過微結構顯色,其本質都是不采用油墨印刷技術,實現物體表面的色彩感,是向安全環保印刷邁出的重要一步。

關于無油墨印刷技術,我們會持續關注。

 

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參考文獻:

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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