飞秒激光在纳米薄膜上实现全彩色无墨印刷

在自然界中，当光照射在大量有序结构的细节上时，会出现映射、漫反射、衍射或干预等反应。由此产生的颜色称为结构色，如昆虫和鸟类呈现的彩色翅膀。这个过程不使用“颜料”。西湖大学的仇恨教授和团队成员从这一现象中获得灵感，并尝试使用超快激光在材料表面制造微纳结构，以产生结构色。

最近，该团队的研究成果在国际期刊《自然·通讯》上发表。研究人员将由氮化钛和氮化铝钛两种超硬陶瓷材料组成的复合薄膜作为一种特殊的“纸”，在其表面使用超快激光进行微纳加工，实现“飞秒激光无墨彩印”，为激光无墨彩印技术的工业化应用提供了新的思路。

在全球范围内，打印机的年销售额可以达到数亿台。目前，墨水或碳粉被广泛应用于喷墨或激光彩色打印机。墨水中含有一定浓度的挥发性有害物质，如铅、镉、汞和多溴联苯。碳粉还会释放可吸收的微粒，对环境和人体有害。与油墨颜料相比，结构色具有不褪色、高分辨率、环保等优点。

在超快激光打印技术中，激光不仅是一支“笔”，还负责制作具有特殊结构的陶瓷材料。“例如，对于各种传统的防伪代码纸，激光诱导纸的微组织光栅可以产生彩虹色，这在防伪方面具有一定的实用价值，但不能产生指定颜色的图案。”据研究人员介绍，该技术也用于打印纪念币，但存在色域狭窄、只能在贵金属表面产生、成品易褪色等情况。

《科技日报》记者了解到，这一技术突破的关键是团队发明了一种新颖的“纸”——复合陶瓷薄膜，厚度只有110纳米左右，只有头发的千分之一。

这种“纸”分为三层：底层为金属氮化钛，作为光的折射层，用于阻止光源通过并增加亮度;中间层为高损耗氮化铝钛介质，可调节自然光的吸收;顶层为氧化铝。当超快激光作用于氮化铝钛表面时，将形成一层以氧化铝为主的透明薄膜。它与氮化铝钛一起调节吸收的阳光。

与此同时，该团队在陶瓷薄膜上用激光“雕刻”：将激光放在薄膜上后，氧化膜(氧化铝)和氮化铝钛薄膜的厚度可以通过调整入射激光的能量或扫描速度同时改变;厚度变化后，入射的阳光会在三层膜结构之间产生复杂的干预效应，形成特定的反射颜色，形成丰富多彩的颜色。

研究人员利用能量色散X射线、X射线光电子能谱、X射线衍射、聚焦离子束蚀刻等多种技术手段，分析激光着色区域的材料，确认所看到的颜色确实来自激光诱导形成的氧化层。

目前，复仇团队发明的“飞秒激光无墨彩印”技术可以同时实现高速、高分辨率的全彩色无墨印刷，可以显示近90%的RGB标准色彩系统，优于当前主流的激光着色技术。