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五彩斑斓的黑被打印出来了!中国科学家用透明颜料画出多种颜色
时间:2021-11-25 10:00:47    来源:综合娱乐汇    浏览次数:    我来说两句(0)

五彩斑斓的黑被打印出来了!中国科学家用透明颜料画出多种颜色

五彩斑斓的黑,浮翠流丹的白,如果老板这样蛮不讲理的要求让你感到焦头烂额,或许中科院化学所的科学家能帮你一把。对他们而言,这样的要求不过小菜一碟,只用一种透明墨水就能实现。他们用的打印设备和家用喷墨打印机并无本质上的区别,但在显色的物理原理上,比起打印,他们更像是在封装彩虹。

撰文|王昱

审校|李凯旋

我们的生活不能失去色彩,显示屏主动发光显示色彩,纸张书籍等则通过被动反光产生颜色。对大部分通过被动方式显示颜色的物体而言,颜料决定了它们的色彩。颜料本身的分子对不同频率光的吸收率、反射率不同,也就造就了颜料本身的颜色。

特定颜色的颜料曾经非常难以获得,比如古罗马帝国很难获得紫色颜料,紫色甚至因此成了皇家专属的颜色。不过在有机合成成熟之后,我们可以细致的控制分子的形态,调控分子和光子的相互作用关系,进而制备特定颜色的颜料。如今,好像再也没有什么颜色是我们制造不出来的了。

除了你老板让你帮他画出来的五彩斑斓的黑。

如果你现在正因为这个要求而在心里默默说着老板的坏话,不妨看看中科院化学所绿色印刷重点实验室的最新成果。最近在《科学·前沿》发表的一篇论文中,他们公布了一种印刷方式,可以打印五彩斑斓的黑、浮翠流丹的白。最神奇的是,他们彩色打印只需要一种颜色的墨水,而这种墨水本身的则是无色透明的。

透明的色彩

这种打印方式本质上和家用的喷墨打印机是一致的,它们都会将一定数量的墨滴喷到待打印的表面上。一滴墨滴就像显示屏上的一颗像素,当大量墨滴排列起来时,我们就成功打印出了一幅图像。对于传统的喷墨打印,打印机通过控制CMYK四色墨水的量来控制颜色,其实还是靠四色颜料调制出了各种色彩。但想用透明墨水打印出色彩,则在显色原理上有本质的不同。

五彩斑斓的黑被打印出来了!中国科学家用透明颜料画出多种颜色

首先,一般的纸面肯定是用不了这种打印方式的,打印表面必须是透明的。使用透明墨水打印,当墨滴被打印到表面时,其表面会因表面张力形成一个弧面。当白光从透明表面另一侧射过来时,光线会在墨滴内发生全内反射,而不同颜色,也就是不同频率的光线的全内反射路线又有所差别,所以在光线射出液滴表面时,不同颜色的光线就被分成不同角度发向不同的方向。而在一个特定的角度上看,这个墨滴也就具有了色彩。

五彩斑斓的黑被打印出来了!中国科学家用透明颜料画出多种颜色

如果想要控制墨滴的颜色,本质上我们需要调整的是墨滴内的光路,为此需要调整弧面的形状。墨滴与打印表面的接触角和墨滴大小两者共同决定了弧面的形状,前者是由材料性质决定的,根据研究,只有在接触角大于46°时才能发生全内反射产生色彩。对于同一种透明墨水,我们可以控制的是液滴大小。只要控制喷了多少滴墨水,我们就能控制墨滴大小,进而控制它的颜色了。

五彩斑斓的黑被打印出来了!中国科学家用透明颜料画出多种颜色

墨滴的打印方式和彩虹非常类似,彩虹也是通过水滴对阳光的全内反射产生的。与其说科学家用透明墨水在打印,不如说,在喷墨、定型的过程中,他们是将彩虹封装在透明墨水中,再排列出来组成图像。

五彩斑斓的黑被打印出来了!中国科学家用透明颜料画出多种颜色

五彩斑斓的黑

聪明的你可能已经发现了,用这种方法打印的墨滴并非只呈现一种颜色。墨滴既然能将不同颜色的光线分向不同的方向,那从不同方向看墨滴的颜色就一定是不同的。也正因此,研究人员在研究如何用透明墨水打印的同时,碰巧解决了五彩斑斓的黑这一“世纪难题”。实际上,这种方法打印出的任何一种色彩,在不同方向上看都会存在细微的差别。

有一个术语专门描述这种现象:虹彩,它还标志着这种打印方式和传统化学色本质上的不同——透明墨水呈现的是一种结构色。化学色利用了颜料本身反射、吸收不同颜色光的性质,而结构色则是通过物体微米、纳米级的结构,让光线反射、折射、衍射、干涉,进而形成特定的色彩。

结构色在生活中其实很常见,雨后地面上色彩变幻的油污,流光溢彩的气泡,甚至一些牛肉表面浮现的绿色,都是结构色的结果。结构色对物质结构非常敏感,仪器制造时,结构色还能用来检验平整度,精度轻易就能达到可见光波长以下——也就是几百纳米的级别。你现在就能找到结构色,摘下你的眼镜,用它通过反射观察一些光源,你会发现反射的图案带有特定颜色,这就是镜面镀膜的效果。镀膜之后可见光能更容易地透过镜片,不过同时,眼镜反光也会带上特定的颜色。

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但五彩斑斓的黑并不是科学家想要实现的目标,实际上,虹彩是他们想极力避免的东西。毕竟,如果一个图片在你看来是红色,在你旁边的朋友看来却是黄色,想必会造成不少误会。五彩斑斓的黑,看上去是个feature,实际却是个bug。不过,如果你就是看中了这个bug产生的feature,那结构色也能满足你。实际上,不少包装瓶、包装盒上流光溢彩的效果,都是通过结构色的原理产生的。而对于用透明墨水打印的科学家而言,他们正在努力避免这个结果。

不褪色的封装彩虹

现代有机合成让我们精细控制分子结构实现不同的化学色,但有机分子有一个致命的缺点:容易被氧化。有机分子结构被破坏后,自然不能保持原有的色彩,用有机颜料打印的照片自然也就褪色了。而当透明墨水被打印到表面上时,它只依靠液滴形成的弧面产生颜色,而墨滴被打印定型后,它呈现的颜色就不会再改变了。

传统颜料生产涉及重金属,是重污染行业,而透明聚合物种类繁多,其中不少我们已经有办法用较为环保的方式生产。自然界的彩虹能让人感到身心愉悦,人造的“封装彩虹”也不会给自然环境造成负担。

如果你担心透明材料让你打印的内容更容易被人“偷窥”,这种“封装彩虹”还自带防窥功能。因为只有当光线从没有墨滴的那一面入射时,才能形成全内反射的光路,在有墨滴的那一面观看时,打印内容完全是透明的,无法分辨。

五彩斑斓的黑被打印出来了!中国科学家用透明颜料画出多种颜色

只要是透明表面,都能用上这种打印方式。只要材料纯度足够,不影响墨滴弧面的形状,不论是硬质材料还是柔性材料,都能用上这种打印方法。如果规模化应用这项技术,我们或许能在玻璃幕墙内侧打印墨滴,这样,建筑内能看到窗外的景色,窗外的人就能看到窗上打印的内容,又或者警告小鸟不要撞到窗户。

牛顿当初发现白光其实包含了多种颜色,牛顿还用三棱镜把不同颜色的光分开。几百年后,科学家掌握了比三棱镜复杂得多的技术,也正是由此,我们终于有办法把远在天边的彩虹封装起来,捧在手心。

感谢中科院化学所绿色印刷重点实验室宋延林老师,李凯旋同学对本文的帮助!

参考链接:

https://

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/12/shimmering-chocolate.html

本文转自《环球科学》

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