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【技术】印刷显示的结构色呈色方法

发布时间: 2022/6/23 13:36:22   来源:   人气: 20

与传统的基于颜料的彩色印刷相比,由于未使用颜料,结构色印刷可以提供更好的色强度、色度、分辨率和色稳定性。因此,使用纳米结构作为像素的彩色印刷和彩色显示是目前的一个热门研究课题。

结构色的生色机理

从色度学的观点来说,光是指能够在人眼的视觉系统上引起明亮的颜色感觉的电磁辐射。人类可以感知到的光的波长范围是 380 ~ 780nm,称为可见光谱。具体来说,物体的颜色形成过程是指光源的光线到达有色物体表面,物体根据其物理特性选择性地吸收光线,并将剩余的光线透射或反射,最终到达人眼,刺激人眼的感觉细胞,然后传递到大脑中枢,从而产生色觉。有许多机制可以产生彩色光,可以区分为两个类别:第一类是由特定能级之间的电子跃迁产生的颜色,如颜料或染料;第二类是是由光和系统的物理结构的相互作用产生的颜色,如色散、折射、衍射和干涉等,通常称为结构色。

结构生色不用经过印染环节,是一种清洁而又生态的获得颜色的方法。结构生色原理主要包括光的衍射、光的散射、光的色散以及光的干涉。不同物理光学现象产生的结构色,其特点亦不同。由光的衍射产生的结构色,色彩艳丽且随方向强烈变化;由光的干涉即薄膜干涉产生的结构色,色彩艳丽,且随方向适度变化;而由光的散射和色散产生的结构色,色彩较艳丽,且不随方向而变化。

在自然界中,我们可以看到蝴蝶、甲虫、珍珠等表面有很多绚丽多彩的颜色,这是光与包含有与光的波长成比例的特征的物体微观结构相互作用的结果,即结构色。由于结构色为无色素着色,使得呈现出的颜色耐久性好,并且具有广泛的应用价值,以下是产生结构色的几种方式。

1. 衍射生色方式

光衍射产生结构色大多数是利用衍射光栅,当光束穿过障碍物周围的小缝隙或锐边时会发生衍射现象。根据惠更斯原理,它是由许多波或连续源组合而产生的干扰效应,其效果类似于光的干涉,产生的颜色主要受层间隔距离影响,且随观察角度变化而变化。日常生活中,有很多结构色都是由光的衍射产生的。例如鸟类羽毛上的结构色,除了干涉作用外,也包含由光在羽毛锯齿状精细结构上所产生的衍射作用;贝壳在阳光照射下,会呈现出五颜六色,而且当观察角度不同,颜色也会发生变化,这是由于在贝壳内壁有许多肉眼看不见的周期性突起结构,光在这些结构下产生衍射作用等等。所有这些现象表明,光的衍射可以产生结构色,而且衍射产生的原因是由于这些周期性的结构,类似衍射光栅。由光的衍射产生的结构色大多是彩虹色,且随观察角度的变化而变化。由光的衍射产生的结构色主要有蛇表皮、天然蛋白石和唱片等。

2. 干涉生色方式

两个或多个光波在空间相遇时,在叠加区域形成稳定的强度强 弱分布现象称为光的干涉现象。关于光干涉产生结构色的研究很多,如皂泡、水面上的油膜以及孔雀羽毛和蝴蝶翅膀等都会因薄膜干涉而导致光干涉生色。这种光干涉产生的颜色色调很纯,有金属般光泽和透明性,不大可能通过染色方法获得,而且随着观察者角度的改变颜色发生变化。目前在纺织领域,很多研究成果都解释研究所产生的结构色是基于光的干涉原理所产生的,而且镀覆的薄膜厚度与产生的颜色之间存在着一定的关联。

3. 散射生色方式

光通过不均匀介质时就会偏离原来的传播方向,此时从侧面也可以看到光的轨迹,这种现象称为光的散射。例如,日落时的晚霞是橙红色的,出现这种现象的原因主要是因为光的散射造成的。光的散射通常分为两大类:一类是散射光波长不变,与原来入射并被散射的光波波长相同,例如瑞利散射和米氏散射;另一类是散射后光波波长发生改变,例如拉曼散射,波长改变的原因是光和分子或原子的相互作用。与颜色相关的基本上是瑞利散射和米氏散射。由光散射产生的结构色色彩艳丽,且不随方向而变化。由光散射产生的常见结构色主要有蓝鹊的羽毛、猴子的面部和臀部以及外国人的蓝色眼睛等。

4. 光子晶体生色方式

它指的是一种具有光子带隙且结构有序的材料,主要通过采用两种以上不同介电常数的介电材料按照一定的周期顺序排列而形成。当带隙的范围落在可见光波段内(380~780nm),特定频率的可见光将不能透过该晶体。这些不能传播的光将被光子晶体反射,在具有周期性结构的晶体表面形成相干衍射。这些很窄波段的光被眼睛所感知,就产生绚丽的结构色。自然界中天然的光子晶体也不少,如孔雀羽毛的颜色是由羽枝表皮处的二维光子晶体结构所产生的。

结构色印制方式及表征方法

由于结构色的独特特性,结构色被广泛应用,且可通过使用一些技术方法实现结构色,如胶体晶体法、介质层叠加法、直接光刻图案法等。

1. 胶体晶体法

胶体晶体是由分散的微米级或亚微米级无机或有机粒子形成的具有有序结构的一类物质。自然界中存在天然的胶体晶体——蛋白石,就是在多年的流体静力和重力作用下,经过硅质沉积和压缩,由球状硅粒子有序的沉积而成,故人造胶体晶体又常被称为人造蛋白石。

由于胶体晶体中的周期性微纳米结构与光相互作用所产生的结构色具有良好的光稳定性,已经被广泛地用于彩色印刷的研究中,同时自组装胶体晶体的低成本也使其具有广阔的市场前景。这种彩色印刷技术可以用于安全防伪、可穿戴传感器的加工以及彩色显示器的制造。

在防伪领域,胶体晶体的彩色印刷已经表现出了巨大的潜力。Nam H 等人通过将胶体晶体溶解于甲酰胺中,用喷墨印刷机实现自组装,制作出了可以隐蔽—显性转化的胶体晶体图案。在彩色印刷中,基底的结构往往也很重要,而模块化的设计可以使最终的结果更加灵活多变。使用胶体晶体进行彩色印刷的主要优点是,在机械和化学影响下可以使产品保持高度稳定。

2. 介质层叠加法

为了能更好地研究微纳结构与其所呈现的结构色及反射特性的关系,深入研究蝶翅的微观结构:蝶翅微纳结构类似于一个由周期性排列的脊所组成的光栅,每一个脊都是由厚度一定的多个薄层叠加而成的,薄层沿脊状结构纵轴两边非对称分布,同一个脊内的薄层宽度随高度增加而逐渐变窄;而不同脊内,同一层的薄层宽度大致相同。

在国内,浙江大学一个课题组利用天然的蝶翅作为模板,采用低温原子层沉积工艺,在其天然结构上沉积一层均匀的氧化铝薄层,然后用高温消融掉蝶翅,从而获得蝶翅微纳结构的互补结构。通过调整沉积的氧化铝薄层的厚度,可以获得不同颜色的反射光。同样,上海交通大学也将蝶翅自然结构作为生物模板,利用蝶翅制作出具有亚微米级的多孔结构的微管道。将蝶翅泡在硝酸锌溶液中,然后放入煅烧炉中加热,将蝴蝶鳞翅消融掉。由于在加温过程中,鳞片会沿应力集中的背脊处裂开,并卷曲形成微管道,硝酸锌也会被氧化,因此最终的结构不再是扁平的,而是氧化锌的微管道。国外也有很多研究人员将天然蝶膀作为生物模板,来复制多种蝶翅的微纳结构。

3. 直接光刻图案法

随着现代工业科学技术的不断发展,物体表面的激光加工或图案化越来越受到人们的关注,现代科学技术的许多发展机会和突破主要是由于新型微观结构的成功构建。表面激纳结构如表面微图案化是指至少一个维度方向的微纳米级的规则表面结构,其在分子科学、材料科学、微电子学及细胞生物学以及相关科学发展领域中均具有重要的研究意义和应用价值。

飞秒激光加工技术和仿生设计原理是微纳米制造领域中的两个学科前沿技术,两者结合具有独特的优势。美国罗彻斯特大学率先使用飞秒激光对金属进行着色。其研究成果显示,飞秒激光可以在多种金属表面加工创建出亚毫米、微米及纳米级结构,以实现可控的光学性质,如表面的金色、灰色、黑色及彩虹色等。这种在金属上产生彩色的方法不需要涂敷就能改变金属本身的光学特性。该方法无污染、不会褪色,在家庭装饰、太阳能电池及新型光电子器件方面有良好的应用前景。法国德里昂大学的B.Dusser 等将激光诱导周期表面结构视为光栅结构,并利用周期条纹结构的方向与飞秒激光偏振方向垂直,这一特性在不锈钢表面制备彩色图案。此外,该课题组还通过搭建彩色观察系统,研究了飞秒激光诱导的周期表面结构与生成的结构色之间的关系,并提出了一种如何利用飞秒激光制备多彩的复杂图案的可能方法。

激光诱导周期表面结构在彩色显示、防伪、光数据存储等领域引起了人们很大的研究兴趣。中心波长小于 800nm 的飞秒激光诱导形成的激光诱导条纹结构具有光栅结构的作用,能够有效地衍射入射光线,生成鲜艳的结构色。从应用角度出发,制备具有结构均匀的大面积的功能表面是很重要的。激光束扫描技术是激光微纳米加工与精密移动平台技术的结合,该方法可以满足大面积加工的需要。

调研基于印刷的结构色印制方式有助于提高结构色印刷的精度、稳定性,并且拓宽结构色在防伪、显示、穿戴等领域的应用前景。根据目前国内外的研究现状,对于结构色的印刷还有待进一步深入研究。由于自组装胶体粒子间复杂的物理化学作用机制,自组装技术可控性较差,生产中存在较大的次品率,要达到较高的精密度可能会需要大量的损耗。因此,未来的研究应通过改造加工工艺,不断提高胶体晶体的质量,并结合目前新兴的计算机建模技术,寻找低成本、低能耗、高性能的制备工艺。

此外,材料表面的微纳结构与表面仿生功能之间的定量关系尚不是十分明确。需要在建立仿生功能表面和微纳结构的观测基础上建立结构和功能关系的物理模型;分析微纳结构对最终仿生功能的影响规律及其主导因素,并进行微纳结构的参数对表面功能影响的定量关系的建模分析。目前研究的材料大多为金属,在半导体材料、有机薄膜材料方面的研究很少。因此,有必要开展对不同材料表面进行仿生功能表面的研究。

我们相信,结构色印刷将吸引越来越多研究者们的关注,未来,材料科学的快速发展和多学科交叉的优势将推动该领域的进一步研究和快速发展。

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