據報道，日本京都大學的一個研究小組開發了一種新方法，他們利用光學駐波設計，控制和組織了塑料薄膜內的應力場，進而得到和應力場相對應的結構色，最后他們基于該方法創建了一幅高分辨率圖像（Nature，doi：10.1038 / s41586-019-1299-8）。據報道，研究人員認為這種新穎的印刷方法可以在不含墨水的情況下以14,000點/英寸（dpi）的分辨率創建圖像。該方法可以在從鈔票防偽到可穿戴生物醫學設備等一系列應用領域中找到一席之地。

通過在應力聚合物薄膜中使用結構色，京都大學的研究人員在沒有油墨的情況下打印出上面這張3毫米見方的維米爾（Vermeer）代表作——“戴珍珠耳環的女孩”

通過“銀紋（Crazing）”實現結構色

這個團隊研究的課題來源于塑料制品制作時出現的一個常見現象，這個現象就是“銀紋”。當一塊塑料或塑料薄膜被拉伸或彎曲時，該聚合物結構內的應力“熱點（Hot spot）”周圍會形成許多細小的裂縫，微腔和稱作微纖維的毛狀結構網絡。從這些微小的應力引起的缺陷中散射的光正是導致塑料呈乳白色的原因，例如，硬質塑料片由于經過反復彎曲而呈現乳白色。

京都大學由Easan Sivaniah領導的團隊認為，通過控制塑料薄膜中這些微小結構的生長和交聯狀況，最終的顯色效果可以和目前不透明的乳白色完全不同。實際上研究人員可以基于這種和結構色原理相同的方法將目標區域設計成特定顏色。結構色在自然中也存在，比如蝴蝶的翅膀借助結構色現象呈現出各種不同的顏色，不過，結構色不涉及油墨一樣顏料。相反，它的顏色源于可以對散射光形成干涉的納米結構，例如蝴蝶翅膀中的鱗片結構，或者受應力擠壓的塑料片中的很小地微纖維結構。

逐層的結構設計

為了從這些想法中獲得具有實用價值的無墨彩色印刷方案，Sivaniah的團隊開始深入研究應力誘導聚合物裂紋和微纖維結構的物化機制。研究人員現在知道的是，當塑料薄膜浸入諸如乙酸等弱溶劑中時，這些酸會滲透到塑料中，這足以在保證聚合物薄膜基本結構完整的前提下加速局部空腔和微纖維的形成。將聚苯乙烯薄膜旋涂到硅晶片襯底上的實驗表明，隨著一層又一層的微纖維結構先形成然后塌陷，這種薄膜的顏色會因為上述的效應逐漸發生變化。

京都大學的這些研究人員對這一過程進行了深入的分析，以完全了解這些效應發生的機制。他們以不同的時間步長，使用掃描電子顯微鏡對這一過程進行快照拍攝，以記錄溶劑滲透進聚合物結構時這些微觀結構發生的變化。他們還使用光學傳遞矩陣和光譜學方法來分析了解這些結構在微觀層面上的納米級變化是如何導致結構顏色發生變化的。通過這些分析，他們發現結構色現象發生的關鍵機制在于，溶劑在塑料內產生致密層和多孔層交替的周期性結構 - 其光學結果是形成駐波，駐波的干涉可以產生不同的顏色。

基于LED控制微結構單元的形成

接下來，該團隊研究了如何從實際應用角度控制這些微結構單元的問題，進而借助這些微結構對光的駐波干涉來形成所需顏色，這樣他們就可以創建出目標圖像。研究人員在塑料薄膜的周圍使用了一排LED，這些LED可以在薄膜中形成不斷變化的應力場。“這些不同層構成的周期性就是一種駐波現象”，研究人員在研究中寫道，“因此我們可以通過交叉不同波長的光來改變這些駐波的干涉波長。”

在對聚苯乙烯薄膜進行化學調整以使其在280nm以下至405nm的波長范圍內進行光敏化之后，研究人員接著將這種經過乙酸處理的薄膜暴露在波長同樣在該范圍內的許多LED中間。該團隊確認，通過以上對光敏薄膜的照明所引發的周期性交聯可以在塑料內部形成應力場。

通過重組微纖維結構的幾何形狀，這些應力反過來會使薄膜光譜中的布拉格峰移動以產生不同的結構顏色 - 隨著入射光波長的增加，這種波長的偏移量也會隨之增加。雖然目前最大的照射波長僅為405nm，但該技術理論上可用于形成整個400至700nm的可見光范圍內的顏色。

京都大學研究人員關于該技術的一個展示 - 利用和蝴蝶翅膀形成顏色原理相同的結構色現象 – 為1毫米見方的Katsushika Hokusai的“巨浪”圖像

一幅不使用墨水材料的“巨浪”圖像

通過使用計算機圖形軟件在投影膠片上制作一些蔭罩板（Shadow Masks）- 每個波長都使用不同的蔭罩板 – 該團隊能夠使用上述這些光觸發的，應力誘導的變化（研究人員稱之為“有組織的應力微纖維化”）在聚合物薄膜中制作出基于結構色的圖像。通過這項技術，研究人員制作了一些精美的著名藝術品圖像，這些方形圖像的尺寸在毫米級，如Johannes Vermeer的“戴珍珠耳環的女孩”，達芬奇的“蒙娜麗莎”和葛飾北齋的“巨浪”。該團隊還展示了通過使用微型LED作為照明光源制作出來的圖像，欣賞者可以在這種圖像中分辨出1.8μm的精細特征，其分辨率大約為14,000 dpi。

該團隊認為，這種“使用光學原理產生的應力場來形成聚合物內有組織的，可調諧的微結構”的原理還可以獲得遠比此更為廣泛的應用，例如鈔票上的防偽圖像和具有生物醫學用途的可穿戴設備。

該技術“允許我們在塑料薄膜中打印出用于透過氣體和液體的多孔網絡，從而讓整個塑料薄膜既透氣又耐磨，”Sivaniah在隨同工作的新聞稿中說道，“因此，例如在健康方面，我們可以將其集成到一種柔性“流體電路板中”。這種“流體電路板”可以放在用戶的皮膚或隱形眼鏡上，從而可以將重要的生物醫學信息傳遞到云端或直接發送給用戶的醫生。”