有了光，才有了色彩。人眼所及，不同波长的光线被感光细胞所吸收，从而形成对我们对色彩的认知。而人们用油画、照片等记录世界的五彩斑斓，也正需要对色彩的充分展示。画作上色彩的显现，其实就是利用特定颜料对光线的吸收来实现的。而近些年来，微纳加工技术被广泛应用于制作小巧的光学微结构，以控制某个波段上光的吸收、辐射、折射等。利用先进的加工技术，我们可以在微米乃至更小的尺度上实现精准颜色控制，从而就如利用画布上的染料一样“打印”高分辨率的彩色图片。
微纳加工的工艺可以实现高精准、高分辨率的彩色打印，但其较复杂、成本较高，因此应用受到了一定程度上的限制。最近，亚利桑那州立大学的王超和姚宇两位教授合作，采用增材制造工艺实现彩色图案打印。在这项工作中，科学家无需光刻、薄膜淀积、刻蚀等复杂的微纳加工工艺，而是以光为笔来直接“创造颜色”。具体一些讲，该团队采用紫外光对溶液中的金属（银）进行光化学还原，从而灵活可控地生成金属薄膜图案。作者设计了基于多层薄膜结构的法布里-珀罗 (FP) 腔作为“颜料”，通过调节金属膜厚和FP光腔薄膜厚度以吸收特定波长的光，从而可以“画出”不同图案并且“染上”不同颜色。使用这种新颖的设计方案，作者能够打印出具有高对比度的蓝色、绿色、黄色和橙色图片，从而实现微米级别精度的增材彩色打印。
这项工作的基础，是由亚利桑那州立大学的王超教授、姚宇教授与北京工业大学的赵治教授合作研制的增材金属薄膜制造工艺。他们通过研究发现，如果在前驱体溶液中加入一种富含氨基的聚合物，就可以将光化学还原的银纳米颗粒连接在一起，形成光滑的薄膜。可以说，这些聚合物就像万能胶一样，把金属颗粒“胶合”在一起，从而形成一种复合材料。王超教授说：“有意思的是，与真空沉积形成的高纯金属薄膜相比，增材工作形成的复合薄膜的折射率有很大不同、损耗也更大。”姚宇教授解释说：“高损耗在通常意义上是一件坏事，但是在这里，这种复合材料使得FP腔可以吸收更宽波段上的光。这点反而有助于提高打印的颜色对比度。正所谓失之东隅、收之桑榆。”
“因为复合薄膜材料的光学参数对彩色显示非常关键，所以我们对此进行了系统的理论计算、仿真和实验分析。”此项工作的第一作者、博士生崔信赫（韩国）说。根据这些分析，崔信赫设计了用于显示不同颜色的FP光腔结构，并打印出了蓝紫色的卡通人物史迪奇（Stitch）、黄绿色的仙人掌图案--亚利桑那州的特产、以及橙黄色的亚利桑那州立大学标志字母（ASU）。
另外值得一提的是，这种增材制造技术是基于水溶液的室温工艺，无需加热、对基底材料无损伤。因此，此技术不仅能够应用于玻璃，还能够在柔性基底上打印。为庆祝清华大学电子工程系成立70周年，该团队在玻璃和涤纶树脂（PET, 聚对苯二甲酸乙二醇酯）上打印上了蓝紫色清华电子系系徽，以展示这一技术在不同基底材料上的应用。
“这项“以光作画”的工作是一次非常有趣的体验，我们用光驱动的增材技术来创造微米结构，而这些微结构本身又可以反过来控制光的吸收。在这个过程中，博士生们需要研究材料合成、材料的光学性质、以及光学腔设计，它可以算是跨学科人才培养的一个典型例子。”王教授说。“我们的技术可简化复杂的制作工艺，在应用方面，这种技术将来可用于传感器、可穿戴光学设备、柔性显示等领域。”
论文信息：
该研究成果以"Structural color printing via polymer-assisted photochemical deposition"为题在线发表在Light: Science & Applications。Shinhyuk Choi为本文的第一作者，王超教授为本文的通讯作者。
论文地址：
https://doi.org/10.1038/s41377-022-00776-x
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