對于彩色圖片，大家一定再熟悉不過了。要想打印一張彩色的照片，需要準(zhǔn)備什么呢？我們的第一反應(yīng)“當(dāng)然是一臺(tái)打印機(jī)，和彩色墨水咯?！?/p>

那有沒有可能使用無色透明的墨水來打印彩色圖片呢？

彩色圖片打印

（圖片來源：Pixabay）

在我們的常規(guī)認(rèn)知中，色彩來源于色素顏料而非無色透明的物質(zhì)。而近期中科院化學(xué)研究所宋延林研究員團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究卻實(shí)現(xiàn)了利用無色透明的墨水創(chuàng)造絢麗彩色圖案的突破。研究人員通過精確控制打印墨滴的微觀形貌，發(fā)展了一種使用透明高分子墨水打印全彩結(jié)構(gòu)色圖像的方法。

利用透明高分子墨水打印的彩色蝴蝶（左）

（圖片來源：作者）

世間萬物，絢麗多姿。赤橙黃綠青藍(lán)紫，每一種色彩，都被賦予了其獨(dú)一無二的內(nèi)涵，紅色熱情奔放、黃色溫暖明亮、藍(lán)色淡雅憂郁、紫色高貴典雅。區(qū)別于具有發(fā)光能力的動(dòng)物如螢火蟲，水母等，自然界中大部分色彩的產(chǎn)生是源于自然光與物質(zhì)之間的相互作用。

光的作用是色彩產(chǎn)生的基礎(chǔ)。事實(shí)上白光并不是一束純凈的光，而是一種融合了多種波長、多個(gè)顏色的混合光。雨后彩虹的出現(xiàn)正是這一事實(shí)的最好印證。但是，人類對于光的這一認(rèn)知也非一蹴而就，1666年，英國著名物理學(xué)家牛頓用玻璃三棱鏡分解了太陽光，證明了光的色散，由此揭開了光的色彩之謎。

光的色散實(shí)驗(yàn)

（圖片來源：Pixabay）

物質(zhì)也是顏色產(chǎn)生不可或缺的媒介，試想如果沒有與光進(jìn)行作用的物質(zhì)，即便白光蘊(yùn)含“赤橙黃綠青藍(lán)紫”等眾多豐富的色彩，我們也無法將其分離，這個(gè)世界仍舊只有一抹單調(diào)乏味的白色。正是由于世間萬物物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的差異，這個(gè)世界才能變得色彩斑斕。

按照與光作用屬性的差異，色彩可分為化學(xué)色素色和物理結(jié)構(gòu)色?；瘜W(xué)色素色在我們的日常生活中最為常見，自然界大多數(shù)花朵以及生活中顏料與染料的顏色都是化學(xué)色素色。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)色也并不陌生，如絢麗的彩虹與肥皂泡、斑斕的孔雀羽毛與蝴蝶翅膀等，也都是結(jié)構(gòu)色的典型代表。

化學(xué)色素色（荷花）與物理結(jié)構(gòu)色（蝴蝶）代表

（圖片來源：Pixabay）

化學(xué)色素色的呈現(xiàn)源于物質(zhì)分子對光的選擇性吸收?；▋簽槭裁催@樣紅？以紅色花朵為例，當(dāng)自然白光照射到紅花表面時(shí)，紫色藍(lán)色等非紅色的光會(huì)被色素分子吸收，而未被色素吸收的紅光會(huì)反射到我們眼睛中，即花朵所顯現(xiàn)的顏色。不同的色素或者染料分子，由于其內(nèi)部的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，所吸收的波長不同，所以可以顯現(xiàn)出不同的色彩。

而結(jié)構(gòu)色是由微觀物理結(jié)構(gòu)與自然光之間的相互作用（如散射、干涉、衍射等）所產(chǎn)生的顏色，它的產(chǎn)生依賴于對物質(zhì)微觀形貌的高精度控制。同一種材料或者物質(zhì)（以孔雀為例），化學(xué)成分無需改變，僅通過對其微納米結(jié)構(gòu)的調(diào)制，也可以呈現(xiàn)出不一樣的色澤效果。

五彩的花朵與絢麗的孔雀

（圖片來源：Pixabay）

化學(xué)色在我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但是染料的生產(chǎn)會(huì)造成嚴(yán)重的水污染。染料廢水中可能含有酸、鹼、鹽、鹵素、烴、硝基物、胺類和染料及其中間體等物質(zhì)，有的甚至還含有劇毒的聯(lián)苯胺、氰、酚，以及重金屬汞、鎘、鉻等，而且化學(xué)色在烈日曝曬下容易被光分解，不便于長期保存。在環(huán)境保護(hù)日益受到重視的今天，我們應(yīng)該探究更加環(huán)保的呈色方式，以從源頭方向杜絕污染。

而對于結(jié)構(gòu)色而言，它的呈現(xiàn)僅依靠微納尺度的物理結(jié)構(gòu)，完全可以避免染料或者色素的使用，因此是一種更加環(huán)保和穩(wěn)定的呈色方式。自然界是創(chuàng)造色彩的大師，經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，演變出了各種復(fù)雜且精細(xì)的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以讓一些動(dòng)植物顯現(xiàn)出無比絢麗的色彩，并賦予他們求偶、報(bào)警、自我保護(hù)等功能。

了解了結(jié)構(gòu)色的概念和優(yōu)勢，我們不禁要問，有沒有辦法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色的人工制備呢？

其實(shí)，人類通過向自然學(xué)習(xí)，也發(fā)展了很多制備與調(diào)控結(jié)構(gòu)色的手段。但是人工結(jié)構(gòu)色的實(shí)現(xiàn)，往往需要先進(jìn)的微加工技術(shù)對微觀納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度調(diào)控，這就不可避免地需要借助昂貴的光刻設(shè)備和復(fù)雜的加工工藝，因此在一定程度上阻礙了結(jié)構(gòu)色的廣泛應(yīng)用。

另一種制備結(jié)構(gòu)色的方法是利用“自下而上”的組裝方法來制備光子晶體，通過控制組裝單元的周期與形貌，可以對光子晶體的帶隙進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而獲得對光子晶體結(jié)構(gòu)色的調(diào)控。這種方法成本較低，但是由于組裝材料的合成和加工都需要精確控制，以及組裝裂紋缺陷的普遍存在，也限制了其在一些領(lǐng)域中的應(yīng)用。

另外, 為了賦予結(jié)構(gòu)色以信息功能，促進(jìn)結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用拓展，我們往往需要把結(jié)構(gòu)色以像素點(diǎn)的形式制備成有序的圖像。但是由于結(jié)構(gòu)色的像素點(diǎn)是眾多周期與形貌存在差異的微納結(jié)構(gòu)，將這些高精度的物理結(jié)構(gòu)精確制備并集成為大面積的彩色圖像，至今仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)！

為此，研究人員對微結(jié)構(gòu)呈色機(jī)制進(jìn)行了深入的研究。通過研究，他們找到了一條全新的結(jié)構(gòu)色生產(chǎn)之路。

全內(nèi)反射（TIR）結(jié)構(gòu)色是一種由全內(nèi)反射和干涉造成的新型呈色機(jī)制，它來源于白光與微米尺度凹狀光學(xué)曲面結(jié)構(gòu)的相互作用。當(dāng)光以較大的入射角由光密介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中的折射率大的）射到光疏介質(zhì)（即光在此介質(zhì)中折射率小的）的凹形界面時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射。而當(dāng)這種界面的尺寸縮小到幾微米到幾十微米的范圍內(nèi)時(shí)，它就可以反射出絢麗的彩色。

全內(nèi)反射（TIR）結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生

（圖片來源：宋延林課題組）

全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)色對光學(xué)界面參數(shù)的變化極其敏感，我們可以通過改變光學(xué)曲面的尺寸、曲率、折射率等參數(shù)來控制光的傳播路徑，進(jìn)而對其所反射的顏色進(jìn)行調(diào)控。

如果能將透明的聚合物液滴精確打印成微米尺度的 “穹頂” 光學(xué)曲面結(jié)構(gòu)并將其倒置在空氣界面中，我們便可以直接制備出能夠調(diào)控全內(nèi)反射的彩色結(jié)構(gòu)色像素點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)這種不對稱的“穹頂”光學(xué)曲面結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量打印與大面積精確制備呢？

研究人員基于長期對打印液滴精準(zhǔn)成形的研究，發(fā)現(xiàn)通過控制基材的表面能可以對聚合物液滴的沉積形貌進(jìn)行精確控制。當(dāng)透明的聚合物液滴沉積到疏水基材并達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡時(shí)，會(huì)自發(fā)收縮為一個(gè)表面光滑的“穹頂”結(jié)構(gòu)；當(dāng)另一液滴在同一位置被精確釋放后可以與其均勻融合，經(jīng)過二次回縮形成一個(gè)直徑擴(kuò)大的“穹頂”結(jié)構(gòu)。這樣通過控制基材表面的浸潤性與墨滴沉積的次數(shù)，就可以制備出不同尺寸的“穹頂”結(jié)構(gòu)。