不用一滴油墨便可作画，这款“纸笔”竟这么神

西湖大学仇旻团队用氮化钛和氮化铝钛组成的复合薄膜，作为特殊“纸张”，在其表面利用超快激光进行微纳加工，实现“飞秒激光无墨彩打”，为激光无油墨彩色打印技术的产业化应用提供了新思路。近日，相关研究结果发表在《自然—通讯》上。

据悉，西湖大学博士耿娇为第一作者，博士石理平和国强讲席教授仇旻为论文通讯作者，合作作者还包括西湖大学博士生许犁野和博士严巍。

超快激光在复合陶瓷薄膜表面进行着色原理示意图   仇旻实验室供图

打印机是环境污染的重要来源之一，因为目前广泛使用的喷墨或激光彩色打印机需要大量使用墨水或碳粉，而这些颜料会对环境造成不可忽视的污染，并对人体造成危害。如何摆脱“有墨”？

这项技术的核心首先在于他们发明了一种新颖的“纸”——厚度不过约110纳米、仅为头发丝千分之一。这种“纸”分为三层：研究人员在单晶硅衬底上先后镀50纳米的氮化钛和60 纳米的氮化铝钛。由于氮化钛和氮化铝钛的硬度较大，它们被称为陶瓷材料，而这层“陶瓷”构成的如羽毛般轻盈的“纸”，将成为“外衣”，附着在需打印图样的物品之上。

同时，仇旻实验室研发了“笔”的另一种用法——在陶瓷薄膜纸上进行“雕刻”。激光将投在薄膜上，通过控制入射激光的能量或扫描速度，便可同时改变氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度；在厚度改变后，入射的自然光将通过三层膜结构之间的复杂干涉效应，形成特定的反射颜色。从而，丰富多彩的颜色就此成型。

他们发现，利用氮化钛和氮化铝钛这两种超硬陶瓷材料做成的“特殊纸张”，完全可以实现高速、高分辨、宽色域、大尺寸、观察角度不敏感、抗老化的全彩色无油墨激光打印。

目前，仇旻实验室发明的“飞秒激光无墨彩打”技术，已实现了接近90% 的RGB标准颜色系统，远超当前主流的激光着色技术。他们的激光诱导复合薄膜氧化，将可同时改变氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛膜的厚度，多了一个自由度，从而获得了更宽的色域。

该技术可同时实现高速度和高分辨的全彩色无油墨打印。在打印速度方面，该技术达到了创纪录的10 cm2/s。这意味着一张A4纸张，可以在1分钟内实现全彩色的打印。在打印分辨率方面，超出传统油墨打印的最高分辨率10倍以上。

氮化铝钛的高吸收特性使得其界面处产生可观的额外相位差，抵消了由薄膜厚度差异导致的颜色随观察角度变化。简单理解，正是因为这件“羽衣”如此轻薄，因而在0-80°的范围内，无论在哪个角度观测，颜色基本不会发生变化，而这正是激光着色领域的另一个难题。

研究人员进行了一系列破坏性实验，但“飞秒激光无墨彩打”的作品仍然“历久弥新”。经过一系列国家标准的抗老化测试，研究人员进一步证实激光在氮化铝钛上诱导形成的颜色色差仍＜7，完全符合工业化应用的需求。

而最后一步实验，最是“色彩斑斓”。你能相信，这都是来自一群工科生的“艺术大作”吗？

“飞秒激光无墨彩打”的作品——毕加索名画《哭泣的女人》  仇旻实验室供图

“飞秒激光无墨彩打”的作品——明朝画家仇英的《汉宫春晓图》  仇旻实验室供图

“飞秒激光无墨彩打”的作品——王羲之书法《兰亭集序》  仇旻实验室供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36275-9