當我們想到彩色印刷的時候，我們首先想到的就是彩色油墨，是不是？如果你想給透明聚合物進行著色，常規方案就是油墨著色，即通過含有顏料的油墨進行印刷著色。其實，我們還有更酷炫的第二種方案：結構著色，即通過材料內產生的微觀結構而著色，不需要油墨也可以產生彩色。在自然界，結構顏色并不少見，蝴蝶翅膀就是其中一例。
無墨彩色印刷
當柔性、透明聚合物彎曲或拉伸時，材料的部分區域會先發白，然后產生裂紋。聚合物中的裂紋圖案在垂直于所施加的應力的方向上形成，由高度取向的聚合物微纖維與微米級空隙組成。不受控制的裂紋中，微孔和微纖維尺寸變化很大，會產生各種波長的光，這就是為什么裂紋通常看起來是白色的。
為了避免材料開裂，Ito及其合作者發展了一種全新的材料裂紋控制技術，并實現了結構著色，不需要油墨就能在各種柔性和透明聚合物材料上高分辨率印刷彩色。
控制材料裂紋
研究表明，通過控制裂紋，會交替形成致密的無孔層與多孔層，可以加強不同層的反射光的干涉，從而產生特定的顏色。研究團隊通過控制聚合物應力場來控制裂紋的產生。當在光敏聚合物膜中形成“駐波”光圖案時，層上聚合物分子之間會選擇性地發生交聯，而在相鄰的另一層則不會發生交聯，且非交聯層會產生拉伸應力作者將這種層狀薄膜放置于溶劑中，通過在非交聯層中形成裂紋來釋放應力。因此，所得到的薄膜含有交替、致密的多孔層，使材料折射率產生周期性變化。照射在薄膜上的光在連續的裂紋層上反射，所產生的干涉效應導致結構著色。
裂紋中的微孔實際上是微小的裂縫，必須控制裂縫的形成以控制裂紋過程。然而，裂縫形成過程比非晶態材料（如聚合物薄膜）更復雜，更難以控制。研究人員進行了一系列實驗來研究各種透明聚合物薄膜中周期性裂紋形成的物理機制和最佳條件。
作為典型案例，研究人員的案例只實現了少數幾種顏色作為案例，但是通過精確調控交替的層間距離理論上可以產生各種各樣的顏色。控制層間距離的幾個關鍵因素包括：1）用于產生層的光的波長和用于照射膜的時間量聚合物的類型和分子量；2）薄膜的初始厚度；3）用于產生裂紋的溶劑的類型和溫度；4）薄膜在溶劑中浸泡的時間。
技術優點
1. 實用性：這并不是第一次在多層透明薄膜中觀察到結構著色。然而，之前的大多數研究都涉及復雜且昂貴的方法，而且交替的薄膜層需要再真空條件下沉積在基板上。相比之下，本文所開發的是一種更簡單，更廉價，更具有實際可操作性的方法。
2. 高分辨率：研究人員進一步發現，通過控制裂紋還可以以極高的分辨率（每英寸高達14,000點）實現無墨彩色打印。而以噴墨印刷為代表傳統的彩色印刷方法（例如噴墨印刷）的分辨率通常僅為每英寸600-1,200個點，這可能受限于所產生的墨滴尺寸和墨水擴散速度。
3. 普適性：更重要的是，這種無墨彩色打印的印刷時間不會強烈依賴于基材的尺寸，因為它是一個平行過程（整個圖案同時印刷到薄膜中），而傳統的噴墨印刷是串行寫入過程，需要相當長的時間來打印大面積區域。
小結
通過簡單的策略為聚合物著色技術帶來了變革性突破，但是，與任何新技術一樣，在商業應用之前還需要克服幾個問題：1）對其他材料的普適性的詳細驗證；2）探索更深入的物理機制，進一步揭示該方法如何應用于任何聚合物材料。
總之，對裂紋的精確控制不僅為柔性電子設備和傳感器中涉及的透明聚合物材料著色帶來了新的啟發，還可能會在透明聚合物中找到超越無墨彩色印刷的新應用。這是一個有趣的現象，值得我們去探索。
參考文獻：
【1】Masateru M. Ito et al. Structural colourusing organized microfibrillation in glassy polymer films. Nature 2019, 570, 363–367.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1299-8
【2】Seung Hwan Ko. Crazy colour printingwithout ink. Nature 2019, 570, 312-313.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-01856-6
