《Science》子刊：厉害！直接书写自定义彩色结构

来源：材料科学与工程

胶体晶体和玻璃已经可以设计成具有可调、彩虹色、不褪色且无毒的结构色。然而，印刷适印性低和印刷质量差，限制了它们的使用。在此，来自韩国的SHIN-HYUNKIM等研究者报道了利用胶体油墨直接书写高亮度和高饱和度的结构彩色图形。相关论文以题为“Direct writing of customized structural-color graphics with colloidal photonic inks”发表在Science Advances上。

大自然创造了周期性的纳米结构来发展结构色，这些颜色可以增强或减少动物的可见性，以进行交配竞争或伪装。一些生长在光照不足环境中的植物，利用纳米结构来提高它们的光合效率。受自然的启发，研究人员开发了人工周期性纳米结构，提供可调谐的、彩虹色的、不褪色的且无毒的颜色。胶体组件的制备是制备光子纳米结构最经济、最简便的方法之一。长程有序的胶体晶体具有较强的彩虹色彩，而短程有序的胶体玻璃具有较浅的颜色，角度依赖性较低。使用胶体阵列进行实际着色，需要胶体阵列的模式与控制的安排和高机械稳定性具有可靠和可复制的方式。结构色印刷，可根据设计、颜色组合和目标承印物类型定制，尤其吸引人。

虽然人们已经提出了各种不同的胶体组件结构色图案的策略，但很少有同时满足商业应用的要求。蒸发诱导自组装，已用于局部沉积的胶体悬浮液，但其通量低，机械稳定性差。虽然各种自上而下的光刻技术，也被用于制备自下而上的胶体组件的微图案，但当用于多色图案时，这些技术通常涉及精细和耗时的多步骤过程。喷墨打印是一种最有前途的可定制模式的方法；然而，大面积的空隙和球形的胶体组装限制了颜色的亮度。因此，如何通过简单易行的工艺，在高通量下生产具有高光学性能和足够机械稳定性的结构色图案，仍然是一个长期的挑战。

在此，研究者报告了直接书写的胶体光子墨水的可定制结构色印刷。为了避免耗时的蒸发过程，在没有挥发组分的情况下，使粒子具有排斥的粒子间势，从而导致粒子的自发有序。通过在光固化树脂中分散二氧化硅颗粒，使其体积分数适于宏观打印和微观胶体结构，从而优化油墨的配制，同时可提供明显的着色和满意的印刷流变性。有了这种墨水，任何线条和表面的宏观设计，都可以直接写在各种基底上，其中的微观胶体排列被设置为结晶或无定形，这取决于树脂的粘度来控制颜色的虹彩。此外，高力学稳定性和控制模数使图形能够表面转移，折纸折叠，或弹性拉伸。这种直接书写方法，为结构色彩的实用性使用提供了前所未有的可控性和通用性。

图1 结构上彩色线条的直接书写。

图2 控制线的尺寸。

图3 结构色表面的直接书写。

图4 多色图案。

图5 具有受控属性的多色图案。

综上所述，研究者演示了使用粘弹性光子墨水直接书写结构色图形。该油墨的最佳配方，以同时实现高可印刷性所需的宏观流变性和结构着色所需的微观胶体排列。胶体排列受油墨介质的粘度控制，可以是彩虹色的晶体结构，也可以是彩虹色较少的玻璃结构。直接书写提供结构彩色线条，宽度控制在180至800 μm范围内，在不影响打印质量的情况下，打印速度可提高至15 mm s−1。融合后的面具有可控的晶体取向和较高的平整度，绝对反射率高于80%。因为高粘度妨碍了两种不同油墨的混合，所以多色图形印刷采用单步光固化。此外，图形可以直接打印在各种目标表面，包括眼镜、塑料、金属、纸张和织物，或转移到任何目标表面。

这种实用的直接书写方法，提供了前所未有的可控性和通用性，作为设计结构色彩图形的实用手段。该光子墨水可以进一步设计成具有各种刺激响应性。织物上的可调颜色图形，可以用作类似变色龙皮肤的可穿戴显示器。刺激响应贴片，可用作人类日常生活和工业中温度、湿度、pH值和特定分子的直观比色指标。（文：水生）


论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj8780