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原文作者：Seung Hwan Ko

  聚合物在應(yīng)力作用下形成微孔和原纖維的過(guò)程被稱(chēng)為銀紋化，銀紋化通常預(yù)示著材料破壞。現(xiàn)在，一種控制銀紋化的方法可被用來(lái)為聚合物薄膜上色。

  當(dāng)我們彎折或拉伸典型的透明玻璃態(tài)聚合物時(shí)，在材料產(chǎn)生裂縫或斷裂前通常會(huì)局部變白。這種不可測(cè)的現(xiàn)象被稱(chēng)作銀紋化，通常被認(rèn)為是該竭力避免的。但在《自然》發(fā)表的一篇文章中，Ito等人發(fā)現(xiàn)銀紋化完全可以得到控制，甚至還能用來(lái)給透明聚合物上色（Ito, M. M. et al. Nature 570, 363–367 (2019).）。受到控制的銀紋化可以用于為各種柔性和透明聚合物材料進(jìn)行無(wú)墨、高分辨率的彩色印刷。

  通常來(lái)說(shuō)，給透明聚合物上色需要將材料與色素混合，或者在聚合物表面印刷含有色素的油墨。此外，透明聚合物還能通過(guò)在內(nèi)部產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的方式來(lái)著色，這種現(xiàn)象稱(chēng)為結(jié)構(gòu)生色。自然界中隨處可見(jiàn)結(jié)構(gòu)色，蝴蝶翅膀就是其中一例。Ito和同事成功在銀紋化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)色。

  聚合物上的銀紋圖案一般垂直于應(yīng)力方向，由互相穿透的微米級(jí)孔洞組成，這些孔洞之間由高取向的聚合物微纖連接。如果銀紋不受控制，這些微孔和微纖就會(huì)形成不同的大小，從而對(duì)應(yīng)不同的光波波長(zhǎng)，這也解釋了為何銀紋看上去通常是白色的。Ito和同事證明，如果可以控制銀紋化，形成相互交替的多孔層和致密無(wú)孔層，就能加強(qiáng)不同層的反射光干涉，從而產(chǎn)生特定的顏色。

  團(tuán)隊(duì)利用一種能控制聚合物應(yīng)力場(chǎng)的現(xiàn)象（聚合物用內(nèi)部的應(yīng)力分布平衡外力），成功控制了銀紋的產(chǎn)生。當(dāng)光敏聚合物薄膜中形成“駐波”光圖案時(shí)，部分層中的聚合物分子之間會(huì)有選擇地形成交聯(lián)，并被沒(méi)有形成交聯(lián)的層隔開(kāi)（圖1），這個(gè)過(guò)程會(huì)在非交聯(lián)層中形成拉應(yīng)力。

  作者隨后將這類(lèi)層狀薄膜置于溶劑中，通過(guò)在非交聯(lián)層中形成銀紋，釋放形成的應(yīng)力。因此，最終得到的薄膜包含交替的致密層和多孔層，讓材料的折射率產(chǎn)生周期性變化。照射在薄膜上的光在依次排列的銀紋層上反射，產(chǎn)生干涉效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)生色。

圖1|聚合物無(wú)墨彩色印刷原理。a）Ito等人通過(guò)將駐波光照射在聚合物薄膜的掩膜上，成功在透明聚合物上形成了彩色圖像。駐波光生成相互交替的交聯(lián)聚合物和非交聯(lián)聚合物，導(dǎo)致非交聯(lián)層中產(chǎn)生應(yīng)力。b）浸于溶劑后，非交聯(lián)層會(huì)出現(xiàn)銀紋現(xiàn)象——形成微觀孔隙和原纖維，從而釋放應(yīng)力。這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生交替的致密聚合物層和多孔聚合物層，讓薄膜的折射率產(chǎn)生周期性變化。因此，當(dāng)白光照射到薄膜的聚合物層時(shí)，其反射光會(huì)形成特定顏色。理論上，這種方法可以生成所有顏色。

  Ito等人開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)，研究各種透明聚合物薄膜的周期性銀紋形成的物理機(jī)理和最佳條件。銀紋中的微孔實(shí)際上就是微小的裂紋，而論文的作者認(rèn)為必須控制這種裂紋的生成，才能控制整個(gè)銀紋化過(guò)程。毫無(wú)疑問(wèn)，作者的方法是真正意義上的成功——要知道，裂紋在非晶態(tài)材料（如聚合物薄膜）中的形成比晶態(tài)材料要復(fù)雜得多，也更難控制，因?yàn)榉蔷B(tài)材料的微觀結(jié)構(gòu)更加隨機(jī)。

  雖然團(tuán)隊(duì)最后只生成了少數(shù)幾種顏色，但理論上，通過(guò)微調(diào)交替層間距就能產(chǎn)生各種顏色。不同的間距反過(guò)來(lái)也能由以下幾個(gè)因素控制：用于分層的光波波長(zhǎng)以及輻照薄膜的時(shí)間；聚合物的類(lèi)型和分子量；膜的初始厚度；用于產(chǎn)生銀紋的溶劑類(lèi)型和溫度；以及膜浸在溶劑中的時(shí)間。

Ito等人利用有組織應(yīng)力微纖維化方法（organized stress microfibrillation method）實(shí)現(xiàn)無(wú)墨彩色印刷，上圖所示是研究人員打印的幾個(gè)樣例，比例尺分別是：a, 1 cm; b和 c, 3 cm; g 和 h, 50 μm(inset 200 μm);  j和k, 200 μm; l, 50 μm。圖片來(lái)源：Ito, M. M. et al. Nature 570, 363–367(2019). 

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-018-03446-4

  雖然這不是第一個(gè)在多層透明薄膜中觀察到結(jié)構(gòu)色的團(tuán)隊(duì)，但這一領(lǐng)域的大多數(shù)研究都涉及既復(fù)雜又昂貴的方法，比如在真空中的襯底上交替薄膜層（Kolle, M. et al. Nature Nanotechnol. 5, 511–515 (2010).）。也就是說(shuō)，Ito和同事利用了一種曾被認(rèn)為無(wú)用的現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)出了一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的方法。事實(shí)上，以前對(duì)銀紋的研究主要集中在尋找抑制或預(yù)防銀紋的方法，而不是如何控制它。

  作者證明，銀紋控制可以用于實(shí)現(xiàn)超高分辨率的無(wú)墨彩色印刷（每英寸點(diǎn)數(shù)最高14000）；而傳統(tǒng)的彩色印刷（如噴墨印刷）一般只能達(dá)到每英寸600-1200點(diǎn)——受限于可生成的墨滴大小和油墨鋪展效應(yīng)。這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，印刷時(shí)間不再過(guò)度依賴(lài)于襯底的尺寸，因?yàn)樗扇∑叫刑幚淼姆绞剑凑麄�(gè)圖案同時(shí)印刷到聚合物薄膜上；而傳統(tǒng)的噴墨印刷是一個(gè)連續(xù)寫(xiě)入過(guò)程，打印面積越大，耗時(shí)也越長(zhǎng)。

  這項(xiàng)研究的意義并不僅限于透明聚合物材料的上色，它還將增進(jìn)我們對(duì)銀紋現(xiàn)象的全面理解。例如，Ito等人描述的銀紋化發(fā)生在面外方向（層沿著薄膜厚度的方向上堆積），而非一般情況下受應(yīng)力作用聚合物薄膜的面內(nèi)。這個(gè)有趣現(xiàn)象或值得進(jìn)一步研究。此外，銀紋控制的力學(xué)和電學(xué)性能也很有探索空間。

  作者的方法出奇地簡(jiǎn)單，可以輕易用于現(xiàn)有的聚合物著色技術(shù)。然而，和任何新技術(shù)一樣，它還有幾個(gè)障礙需要克服。作者的方法在很大程度上局限于特定的操作條件和材料組合，對(duì)其他材料的適用性也有待挖掘。深入研究這項(xiàng)技術(shù)背后的物理機(jī)制，或能發(fā)現(xiàn)如何將該方法應(yīng)用于所有的聚合物材料。與此同時(shí)，除了透明聚合物的無(wú)墨彩印之外，銀紋控制技術(shù)或能在電子設(shè)備和傳感器上得到更加激動(dòng)人心的應(yīng)用。

  原文以Crazy colour printing without ink為標(biāo)題發(fā)布在2019年6月19日《自然》新聞與觀點(diǎn)上。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-019-01856-6