快速发展的印刷行业，在印刷过程中也会形成对生态环境和人们健康的危害。例如，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，而墨水中含有一定浓度的铅、镉、汞、多溴联苯等有挥发性的有害物质和元素。

为了实现无墨打印，各国科学家尝试利用超快激光在材料表面制造微纳结构以产生结构色的方案，即超快激光彩色打印技术。

图1超快激光在复合陶瓷薄膜表面进行着色原理示意图 

来源：仇旻实验室

据资料显示，近日，西湖大学仇旻团队实现了“飞秒激光无墨彩打”关键技术的突破。该研究以“High－speed laser writing of structural colors for full－color inkless printing”为题发表在最新一期Nature Communications上。

该研究团队创新性地提出利用超快激光加工陶瓷复合陶瓷薄膜，并最终在超快激光彩色打印技术上实现关键性突破。

如何实现超快激光彩色打印？需要有新型的“纸张”与“笔”。据资料显示，研究团队发明了一种新颖的“纸”，其厚度不过约110 nm、仅为头发丝千分之一。这种“纸”分为三层：自下而上的第一层，是呈金属性的氮化钛；第二层，是高损耗的氮化铝钛电介质，将调控对自然光的吸收；第三层，是氧化铝。氮化钛和氮化铝钛被称为陶瓷材料，他们构成 “纸”，附着在需打印图样的物品之上。

而激光作为“笔”，不再直接在物品表面创造结构，而是将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。

图2 激光打印的典型色板（a）和色域范围（b）

来源：仇旻实验室

 相对于以往在不锈钢表面形成单层氧化膜，激光诱导复合薄膜氧化同时改变了氧化膜和氮化铝钛膜的厚度，因此比传统激光着色方案多了一个自由度，从而可获得更宽的色域。目前研究人员已实现了接近90% sRGB，如图2b所示，该色域远超当前主流的激光着色技术。利用多种技术手段如能量色散x射线、x射线光电子能谱、x射线衍射、聚焦离子束刻蚀对激光着色的区域进行材料分析，研究人员证实观察到的色彩的确来自激光诱导形成的氧化层。

在打印速度方面，该技术达到了创纪录的10 cm2/s，如动图3所示。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，研究人员展示了10000 dpi的彩色打印，超出传统油墨打印的最高分辨率10倍以上。因此，该技术可同时实现高速度和高分辨的全彩色无油墨打印。

图3 动图展示超快激光在材料表面着色的过程       

利用氮化钛加氮化铝钛作为特殊纸张实现无油墨彩色打印还有另外几方面的优点。首先，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。如图4所示，在0-80°的范围内，激光形成的颜色几乎没有变化。其次，氮化铝钛表面形成的致密氧化铝膜起到了很好的防护层作用，经过一系列国家标准的抗老化测试，如双85、盐雾、光漂白、附着力等测试，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小于7，完全符合工业化应用的需求。

图4 不同角度下观察的激光着色色      

作为大面积打印彩色图像的展示，研究人员制作了几幅艺术作品，如毕加索名画《哭泣的女人》，明朝著名画家仇英的《汉宫春晓图》和王羲之书法《兰亭集序》，如图5a-5c所示。其中《汉宫春晓图》是在粗糙的未抛光单晶硅表面打印的，这也是激光打印相对于传统微纳加工技术如电子束刻蚀和纳米压印的一个巨大优势。《兰亭集序》则是打印在柔软的钢箔上，因此可将其在卷曲在易拉罐上，如图5d所示。

图5 利用超快激光打印的大尺寸艺术品展 

基于该技术，该团队为西湖大学第一批本科生制作了新生入学纪念品，以及为杨振宁等20余位世界知名科学家制作了西湖大学顾问委员会纪念品，如图6，7所示。

图6 仇旻实验室研究人员为西湖大学第一批本科生制作的入学纪念品

图7 仇旻实验室研究人员为杨振宁先生制作的纪念品

        该团队创新性地提出利用氮化钛和氮化铝钛这两种超硬陶瓷材料组成的复合薄膜作为“特殊纸张”，实现了高速、高分辨、宽色域、观察角度不敏感、抗老化的全彩色无油墨激光打印。未来，可通过优化激光和复合薄膜的参数以进一步拓宽激光打印的色域、提高饱和度和颜色亮度，对于解决包装印刷行业长期面临的环境污染问题具有重要的意义。