不用一滴油墨便可作畫，這款“紙筆”竟這么神

西湖大學仇旻團隊用氮化鈦和氮化鋁鈦組成的復合薄膜，作為特殊“紙張”，在其表面利用超快激光進行微納加工，實現“飛秒激光無墨彩打”，為激光無油墨彩色打印技術的產業化應用提供了新思路。近日，相關研究結果發表在《自然—通訊》上。

據悉，西湖大學博士耿嬌為第一作者，博士石理平和國強講席教授仇旻為論文通訊作者，合作作者還包括西湖大學博士生許犁野和博士嚴巍。

超快激光在復合陶瓷薄膜表面進行著色原理示意圖   仇旻實驗室供圖

打印機是環境污染的重要來源之一，因為目前廣泛使用的噴墨或激光彩色打印機需要大量使用墨水或碳粉，而這些顏料會對環境造成不可忽視的污染，并對人體造成危害。如何擺脫“有墨”？

這項技術的核心首先在于他們發明了一種新穎的“紙”——厚度不過約110納米、僅為頭發絲千分之一。這種“紙”分為三層：研究人員在單晶硅襯底上先后鍍50納米的氮化鈦和60 納米的氮化鋁鈦。由于氮化鈦和氮化鋁鈦的硬度較大，它們被稱為陶瓷材料，而這層“陶瓷”構成的如羽毛般輕盈的“紙”，將成為“外衣”，附著在需打印圖樣的物品之上。

同時，仇旻實驗室研發了“筆”的另一種用法——在陶瓷薄膜紙上進行“雕刻”。激光將投在薄膜上，通過控制入射激光的能量或掃描速度，便可同時改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦膜的厚度；在厚度改變后，入射的自然光將通過三層膜結構之間的復雜干涉效應，形成特定的反射顏色。從而，豐富多彩的顏色就此成型。

他們發現，利用氮化鈦和氮化鋁鈦這兩種超硬陶瓷材料做成的“特殊紙張”，完全可以實現高速、高分辨、寬色域、大尺寸、觀察角度不敏感、抗老化的全彩色無油墨激光打印。

目前，仇旻實驗室發明的“飛秒激光無墨彩打”技術，已實現了接近90% 的RGB標準顏色系統，遠超當前主流的激光著色技術。他們的激光誘導復合薄膜氧化，將可同時改變氧化膜（氧化鋁）和氮化鋁鈦膜的厚度，多了一個自由度，從而獲得了更寬的色域。

該技術可同時實現高速度和高分辨的全彩色無油墨打印。在打印速度方面，該技術達到了創紀錄的10 cm2/s。這意味著一張A4紙張，可以在1分鐘內實現全彩色的打印。在打印分辨率方面，超出傳統油墨打印的最高分辨率10倍以上。

氮化鋁鈦的高吸收特性使得其界面處產生可觀的額外相位差，抵消了由薄膜厚度差異導致的顏色隨觀察角度變化。簡單理解，正是因為這件“羽衣”如此輕薄，因而在0-80°的范圍內，無論在哪個角度觀測，顏色基本不會發生變化，而這正是激光著色領域的另一個難題。

研究人員進行了一系列破壞性實驗，但“飛秒激光無墨彩打”的作品仍然“歷久彌新”。經過一系列國家標準的抗老化測試，研究人員進一步證實激光在氮化鋁鈦上誘導形成的顏色色差仍＜7，完全符合工業化應用的需求。

而最后一步實驗，最是“色彩斑斕”。你能相信，這都是來自一群工科生的“藝術大作”嗎？

“飛秒激光無墨彩打”的作品——畢加索名畫《哭泣的女人》  仇旻實驗室供圖

“飛秒激光無墨彩打”的作品——明朝畫家仇英的《漢宮春曉圖》  仇旻實驗室供圖

“飛秒激光無墨彩打”的作品——王羲之書法《蘭亭集序》  仇旻實驗室供圖

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36275-9