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邱敏实验室研究人员采用“飞秒激光无墨彩色打印”技术打印出的图案。西湖大学供图

今年6月，西湖大学邱敏教授团队在国际期刊《自然•通讯》上发表了题为《激光快速直写结构色实现全色彩无油墨打印》的研究文章。文章指出，通过采用氮化钛和氮化钛铝两种超硬陶瓷材料组成的复合薄膜作为特殊“纸”，利用超快激光在其表面进行微纳加工，“飞秒激光无墨” “ 可以实现。研究成果为激光无墨彩色打印技术的工业化应用提供了新思路。

无墨彩色印刷的理念源于自然

在自然界中，当光线照射到大量精细有序的结构上时，就会发生折射、漫反射、衍射或干涉等反应。由此产生的颜色称为结构色，例如昆虫和鸟类的彩色翅膀。此过程中不使用任何颜料。并且与颜料相比，结构色具有不褪色、高分辨率、环保等优点。

据了解，邱敏教授团队受此启发，尝试利用超快激光在材料表面制造微纳结构产生结构色，并成功研发出“飞秒激光无墨彩色打印”技术。该技术实现了近90%的RGB标准色彩系统，远远超过了目前主流的激光着色技术。在打印速度方面，该技术达到了破纪录的每秒10平方厘米，这意味着1分钟即可完成一张A4纸的全彩打印。在打印分辨率方面，该技术超过传统油墨打印最高分辨率10倍以上。

如此高的性能与这种印刷技术的“纸”和“笔”是分不开的。

特殊的“纸”和“笔”

“纸”——是一种复合陶瓷膜，厚度仅为110纳米左右，仅为人类头发丝的千分之一。

这张“纸”分为三层：底层是金属氮化钛，作为光反射层，阻挡光线穿透，增加亮度；中间层是高损耗氮化铝钛电介质，可以调节自然光的吸收——众所周知，物体的颜色是由它们吸收的光决定的；顶层是氧化铝。当超快激光作用于氮化铝钛表面时，会形成一层附加的基于氧化铝的透明薄膜，它与氮化铝钛一起调节吸收的自然光。

复合陶瓷薄膜表面超快激光着色原理示意图

“笔”指的是飞秒激光。

飞秒，也叫飞秒，是一种测量时间长度的测量单位。飞秒激光是人类在实验室条件下获得最短脉冲的技术手段。

飞秒激光的特点包括： 1、持续时间极短。它比电子方法获得的最短脉冲短数千倍。是人类在实验条件下可以获得的最短脉冲； 2.第二激光器具有非常高的瞬时功率，可以达到100亿瓦； 3、飞秒激光可以聚焦到比头发丝直径还要小的空间区域，使得电磁场的强度强于原子核对周围电子的作用力。高了好几倍。

在“飞秒激光无墨彩色打印”科研项目中，飞秒激光并不直接在物体表面制造结构，而是将其“雕刻”在陶瓷薄膜纸上。激光作用于薄膜后，通过控制入射激光的能量或扫描速度，可以同时改变氧化膜（氧化铝）和氮化铝钛薄膜的厚度；厚度改变后，入射的自然光会穿过三层薄膜结构，它们之间复杂的干涉效应产生特定的反射颜色。

与此同时，邱敏教授团队的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、聚焦离子束刻蚀等多种技术手段，对材料进行了分析。激光着色区域并确认观察到的颜色。它确实来自激光诱导的氧化层。

值得注意的是，研究人员对“飞秒激光无墨彩印”作品进行了一系列破坏性测试，测试了高温高湿环境下的老化性能，测试了盐雾环境下的耐腐蚀性能，并进行了经历了光漂白、粘附等实验，但依然“永恒”。这是因为氮化铝钛表面形成的致密的氧化铝膜起到了良好的保护层的作用。经过一系列国标抗老化测试，研究人员进一步证实，激光对氮化铝钛造成的色差仍然存在