这个五彩缤纷的世界，色彩从哪里来？人类最早用于艺术与服装的颜色是天然色素和染料，它们选择性地吸收某些波长的可见光。相比之下还有另外一种产生色彩的途径，某些蝴蝶翅膀和蛋白石上的颜色则来源于材料表面的微纳米结构对光波反射和折射，这种效应被称为结构色。
蝴蝶翅膀和蛋白石的结构色。图片来源于网络
基于这种特别的显色原理，结构色具有抗褪色和环保的特点，然而，高成本和复杂的加工成为目前制约该技术发展的瓶颈。2019年，宾夕法尼亚州立大学Lauren D. Zarzar课题组发现了一种基于微尺度曲面的全内反射和干涉产生结构色的新机制，并实现了利用无色液滴操纵彩虹色的方法。
图片来源：Nature [1]
近日，中国科学院化学研究所的李明珠研究员和宋延林研究员等人在Science Advances 杂志上发表论文，进一步拓展了全内反射和干涉机制，开发出一种简单易行的使用无色墨水的全彩色喷墨打印策略。通过控制普通聚合物材料制成的墨水和基板的润湿性，就可以打印出整个可见光区域内的颜色，且色彩饱和度、亮度等都可以精确调控。这为低成本、高产量的结构全彩色打印开辟了一条可行的道路。
图片来源：Sci. Adv.
无色墨水的配方极为简单，只需将聚丙烯酸溶解到水和乙二醇的混合物中，就可以直接制备。当墨滴印刷在疏水透明的基底上时，在表面张力的作用下快速收缩，形成具有较大曲率角的微圆顶状。疏水基底保证了墨滴较大的接触角（82.5°）和较高的高度与直径比。墨滴利用全内反射效应产生干涉颜色，且可以通过改变直径进行调节。比如，直径为16.2、20.3和23.5 μm的微圆顶状墨滴分别显示出红色、蓝色和绿色。
结构色喷墨打印。图片来源：Sci. Adv.
那么，想要实现全彩色打印，需要如何调节墨滴呢？研究者模拟计算了墨滴的直径和接触角对色彩的影响。当接触角大于46°时，可以产生颜色。在相同基底和接触角条件下（65~75 °），可以通过调节墨滴的直径从3 μm到12 μm，实现整个可见光范围的全彩色打印，且模拟计算结果与实验结果相吻合。
全彩色打印调节。图片来源：Sci. Adv.
每个微圆顶状墨滴作为一个像素点，将不同颜色的像素点按照一定的空间分布进行编程，就可以打印出不同颜色的图案。色彩的亮度可以通过打印分辨率进行调节，即微圆顶状墨滴的打印间距。随着打印分辨率降低、墨滴密度减小，颜色的亮度随之降低。
彩色微圆顶墨滴的可编程打印。图片来源：Sci. Adv.
随后，研究者通过计算机模拟获得了全彩色打印参数，只需知道墨水的折射率、接触角等指标，就可以迅速解码出彩色照片的信息，并转化为微圆顶阵列，包括直径、位置等指令发送给打印机。无需任何复杂的设计或繁琐的工艺，即可高效地完成全彩色图像打印，包括昆虫、花鸟、二维码以及人像。
全彩色图案打印示例。图片来源：Sci. Adv.
有趣的是，由于印刷结构不对称的微观形态，图案表现出光学上的“Janus”特性，即，结构色只有从下往上看才能呈现，如果将玻璃板翻转，它看起来几乎是透明的。这或许在智能窗户、动态显示、防伪技术和传感器等领域有着潜在的实际应用价值。此外，该方法具有普适性，许多商用聚合物材料，如甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇等都可作为墨水应用于结构全彩色打印。
结构全彩色打印墨水及光学Janus特性。图片来源：Sci. Adv.
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