直径2英寸，手感轻如蝉翼；图画包含13种色彩，未用到一滴油墨；肉眼色彩丰满，也将耐久闪烁下去……上一年夏天，当每一位西湖大学的首届本科生翻开选取通知书礼盒时，都会惊喜地留意到入学纪念牌上镶嵌的这幅特别的“科学见面礼”晶圆片小画。
而事实上，半年前的这次上台，仅仅是科学家们牛刀初试的著作。近来，咱们总算能够一睹这项技能完好的“庐山真面目”——西湖大学仇旻团队在最新一期Nature Communications以“High-speed laser writing of structural colors for full-color inkless printing”为题解密相关作业，他们用由氮化钛和氮化铝钛这两种超硬陶瓷资料组成的复合薄膜作为特别“纸张”，在其外表运用超快激光进行微纳加工，完结“飞秒激光无墨彩打”，为激光无油墨五颜六色打印技能的产业化运用供给了新思路。
这是一个常见的办公室或许家庭场景：你在电脑上轻盈地按下“打印”按钮，衔接的打印机哗啦啦高效吐纸张，十分快捷地，你手中就握着电子内容的五颜六色纸质版，不管是文件、图表仍是相片。
明显，跟着五颜六色打印机的遍及，这成为千家万户的日常。现在，全国际打印机每年的销量挨近1.5亿台。
但是，打印机是环境污染的重要来历之一，由于现在广泛运用的喷墨或激光五颜六色打印机需求很多运用墨水或碳粉，而这些颜料会对环境构成不行忽视的污染，并对人体构成损害。墨水中含有必定浓度的铅、镉、汞、多溴联苯等挥发性的有害物质和元素；打印机作业时，碳粉也会释放出很多可被人体吸收的微颗粒。有研讨标明，在一个密闭的房间内，当打印机作业时，空气中悬浮微粒的数量会比平常高五倍。
你还记得，近距离赏识蝴蝶或昆虫的五颜六色翅膀，或许调查鸟类多彩茸毛的时分吗？你认为它们炫丽的色彩源于体内的色素（化学色），但实际上，这是结构色（物理色）的创作。当光照射在细微处很多有序结构上，会发生折射、漫反射、衍射或干与等反响，由此就会发生色彩，这个进程其实并没有用到“颜料”。而且相对于颜料，结构色具有不褪色、高分辩、环保等长处。
科学家们进行了斗胆测验——运用超快激光在资料外表制造微纳结构以发生结构色的计划，即超快激光五颜六色打印技能。在这种技能中，光（激光）是“笔”，也是特别结构“画布”的“铸就”者。比方，你身边各类传统的防伪码纸面，便是运用了激光诱导自组织纳米光栅发生的彩虹色，它在防伪方面有必定的运用价值，但不能发生指定色彩的图画。在加拿大，这项技能还被用于硬币和纪念币的打印，但其打印色域较窄，仅能掩盖规范RGB规范色彩体系的15%色域规模；且只能在贵金属外表发生，这意味着对资料约束大；色彩抗磨损功能也较差，简略褪色。
也便是说，虽然科学家们进行了各种探究和测验，但或多或少都存在“缺憾”。怎么拓宽超快激光五颜六色打印的色域（也便是能打印更多色彩），并完结色彩不随调查视点改动，成为当时激光上色技能研讨需打破的关键问题。
纳米光子学与仪器技能试验室，这是西湖大学仇旻试验室的“台甫”。试验室担任人仇旻，在曩昔20多年间一向“向光而行”，聚集微纳光子学范畴的研讨。
曩昔一年来，仇旻试验室的研讨人员立异性地提出运用超快激光加工陶瓷复合陶瓷薄膜，在超快激光五颜六色打印技能上完结关键性打破。
该项技能的中心首要在于他们创造晰一种新颖的“纸”——厚度不过约110纳米、仅为头发丝千分之一。这种“纸”分为三层：如图1所示，研讨人员在单晶硅衬底上先后镀50纳米的氮化钛和60 纳米的氮化铝钛。榜首层，也便是自上而下的最底层，是呈金属性的氮化钛，它将作为光的反射层——效果是阻挠光线穿透，并增加亮度。第二层，是高损耗的氮化铝钛电介质，将调控对自然光的吸收——正如咱们所知，物品所出现的色彩，是由他们吸收的光所决议的。第三层，是最顶层的氧化铝——当超快激光效果于氮化铝钛外表，会额定构成一层以氧化铝为主的通明薄膜，它将和氮化铝钛一同，调控所吸收的自然光。
由于氮化钛和氮化铝钛的硬度较大，它们被称为陶瓷资料，而这层“陶瓷”构成的如茸毛般轻盈的“纸”，将成为“外衣”，附着在需打印图样的物品之上。
一起，仇旻团队研制了“笔”的另一种用法——这支笔，依然是激光，不过在他们的技能中，这支笔不再直接在物品外表创造结构，而是将在陶瓷薄膜纸上进行“雕琢”。激光将投在薄膜上，经过操控入射激光的能量或扫描速度，便可一起改动氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度；在厚度改动后，入射的自然光将经过三层膜结构之间的杂乱干与效应，构成特定的反色。然后，五光十色的色彩就此成型，如图2a所示。
随后，研讨人员运用多种技能手法如能量色散x射线、x射线光电子能谱、x射线衍射、聚集离子束刻蚀对激光上色的区域进行资料剖析，证明调查到的色彩确实来自激光诱导构成的氧化层；也便是说，他们研制的“纸”与“笔”，总算完结了抱负中的激光五颜六色无墨打印。
科学研讨向前推动的每一步，都离不开兢兢业业的验证。阅历了时间短的欢庆之后，研讨团队随即投入对新技能一轮轮的查验中。
他们惊喜地发现，运用氮化钛和氮化铝钛这两种超硬陶瓷资料做成的“特别纸张”，完全能够完结高速、高分辩、宽色域、大尺度、调查视点不灵敏、抗老化的全五颜六色无油墨激光打印。
宽色域。现在，仇旻试验室创造的“飞秒激光无墨彩打”技能，已完结了挨近90% 的RGB规范色彩体系（如图2b所示），远超当时干流的激光上色技能。研讨人员解释道，与此前的“激光诱导不锈钢外表构成氧化薄膜”传统激光上色计划比较，前者构成的为单层氧化膜、只要一个可变变量，而他们的激光诱导复合薄膜氧化，将可一起改动氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度，多了一个自由度，然后获得了更宽的色域。
高速、高分辩。该技能可一起完结高速度和高分辩的全五颜六色无油墨打印。在打印速度方面，该技能达到了创纪录的10 cm2/s，如图3所示。这意味着一张A4纸张，能够在1分钟内完结全五颜六色的打印。在打印分辩率方面，研讨人员展现了10000 dpi的五颜六色打印，超出传统油墨打印的最高分辩率10倍以上。
色彩不随调查视点改动。氮化铝钛的高吸收特性使得其界面处发生可观的额定相位差，抵消了由薄膜厚度差异导致的色彩随调查视点改动；简略了解，正是由于这件“羽衣”如此轻浮，因而在0-80°的规模内，不管在哪个视点观测，色彩根本不会发生改动，而这正是激光上色范畴的另一个难题（如图4所示）。
色彩“历久弥新”。研讨人员进行了一系列破坏性试验，在高温高湿环境的测验了老化状况（双85试验），在盐雾环境中测验了抗腐蚀性，并进行了光漂白、附着力等试验，但“飞秒激光无墨彩打”的著作依然“历久弥新”。这是由于氮化铝钛外表构成的细密氧化铝膜起到了很好的防护层效果。经过一系列国家规范的抗老化测验，研讨人员进一步证明激光在氮化铝钛上诱导构成的颜差仍＜7，完全符合工业化运用的需求。
而最终一步试验，最是“色彩斑驳”，“艳丽动听”。你能信任，这都是来自一群工科生的“艺术高文”吗？
其间，《汉宫春晓图》是在粗糙的未抛光单晶硅外表打印的，《兰亭集序》则是打印在柔软的钢箔上。这也将是本激光打印技能，较之相同出现结构色的传统微纳加工技能（如电子束刻蚀和纳米压印）的一个巨大优势。
2022年，西湖大学首届本科生、杨振宁等20余位西湖大学参谋委员会成员，成为这项技能的榜首批见证者（图5-6）。
未来，这项技能将怎么改动咱们的日子？研讨团队人员笑称，这个开放式出题交给大众作答。“你们虽然梦想，咱们担任完结”——在《漂泊地球2》上映后，我国航天科技集团、我国石油、我国石化、中粮集团等齐刷刷地向影片的绚丽梦想作出“回应”。而这句喊话，也恰是仇旻团队的心声。科学家的任务便是探究前人未达之境，把不行能一步步变成或许。
从0到1的前行之路，向来都是布满荆棘。在技能层面上，本文的榜首作者耿娇博士表明，最难的部分是参数调试，为了出现近90%的RGB规范色，他们修正了数百次，才使得激光与薄膜的邂逅，能够擦出正确色彩的花火。
这样的修正，无“前车”可鉴。而最具应战的，是能够发生技能自身的“创意”。事实上，本研讨所开发的“纸”的首要结构，即在金属反射层上增加半导体吸收层，正是传统微纳加工制造结构色的常见结构；但将这一结构与激光手法结合，并替换更适宜的资料，“打印”出斑驳的色彩，就归于“从未有人做过”的测验了。
而这项技能开发前后历时仅约一年，能够如此高效立异，既是站在“前人”的膀子之上，也是根据团队经年累月的研讨堆集。仇旻团队十数年展开着经过微纳结构调控光吸收的研讨，通讯作者之一石理平博士在德国做博后期间，在与斯图加特大学Harald Giessen教授的长时间协作中了解到了氮化钛这个资料；在超快激光五颜六色打印技能方面，前新加坡国立大学、现厦门大学洪明辉院士关于该范畴的一篇详实总述，让团队留意到了激光无墨上色现有的技能手法和瓶颈。就在上一年，本团队提出了运用氮化钛(TiN)、氮化铝(AlN)和氮化铝钛(TiAlN)这三种超硬陶瓷资料完结超级抗磨损的超薄五颜六色光学涂层（已发表于PhotoniX）；正是在这项研讨中，团队留意到了氮化钛和氮化铝钛的光学和机械功能，由此发生把这两种资料迁移到无墨打印技能之中的主意……
当然，眼前的效果并不意味着结束，它包含新的应战，也是新的起点——未来，仇旻团队将继续发展本项技能，完结新的打破：比方经过优化激光和复合薄膜的参数，进一步拓宽本激光打印技能的色域、进步饱和度和色彩亮度；拓宽新资料，让色彩既能够打印出来，也能够擦除，下降打印本钱；与人工智能技能相结合，让计算机代替人眼去选择对应色块，直接打印……步履不断，他们将一向逐“光”而行。
西湖大学是该论文仅有完结单位，耿娇博士为榜首作者，石理平博士和国强讲席教授仇旻为论文通讯作者，协作作者还包含博士生许犁野和严巍博士。本研讨得到国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的赞助和西湖大学微纳加工渠道及理化测验渠道的技能支持。
