不用一滴油墨還原世界名畫(huà) 這群工科生演繹出別樣“科學(xué)浪漫”

畢加索的《哭泣的女人》、仇英的《漢宮春曉圖》、王羲之的《蘭亭集序》……如今，在浙江杭州，這些色彩斑斕、絢麗動(dòng)人的“名家巨作”，無(wú)需使用任何油墨，便能在一群工科生的精彩演繹下，煥發(fā)出獨特的“科學(xué)浪漫”。

“飛秒激光無(wú)墨彩打”技術(shù)制作的畢加索名畫(huà)《哭泣的女人》。西湖大學(xué)供圖

日前，西湖大學(xué)仇旻團隊解密了一項全新科研成果。該團隊用由氮化鈦和氮化鋁鈦這兩種超硬陶瓷材料組成的復合薄膜作為特殊“紙張”，在其表面利用超快激光進(jìn)行微納加工，實(shí)現了“飛秒激光無(wú)墨彩打”，為激光無(wú)油墨彩色打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應用提供了新思路。

早在2022年夏天，楊振寧等20余位西湖大學(xué)顧問(wèn)委員會(huì )成員以及西湖大學(xué)首屆本科生，成為這項技術(shù)的首批見(jiàn)證者。

入學(xué)留念牌上鑲嵌的晶圓片小畫(huà)。西湖大學(xué)供圖

實(shí)驗室研究人員為楊振寧制作的紀念品。西湖大學(xué)供圖

本科生打開(kāi)錄取通知書(shū)禮盒時(shí)，會(huì )驚喜地發(fā)現入學(xué)留念牌上鑲嵌的一幅別致的“科學(xué)見(jiàn)面禮”晶圓片小畫(huà)。它直徑2英寸，圖案包含*3種色彩，在陽(yáng)光的映照下，西湖大學(xué)云谷校區學(xué)術(shù)環(huán)與學(xué)術(shù)會(huì )堂的圖案明亮絢麗。這些晶圓片便是運用“飛秒激光無(wú)墨彩打”技術(shù)制作而成，它們來(lái)自仇旻團隊所在的納米光子學(xué)與儀器技術(shù)實(shí)驗室，這個(gè)實(shí)驗室擅長(cháng)研究微納米級別的光學(xué)技術(shù)與工藝。

納米光子學(xué)與儀器技術(shù)實(shí)驗室。西湖大學(xué)供圖

據了解，全球范圍內，打印機的年銷(xiāo)售量可達上億臺。然而，廣泛使用的噴墨或激光彩色打印機需要大量使用墨水或碳粉，墨水成分中含有一定濃度的鉛、鎘、汞、多溴聯(lián)苯等具有揮發(fā)性的有害物質(zhì)，碳粉也會(huì )釋放出可被人體吸收的有害微顆粒。因此，擺脫“有墨”、轉向“無(wú)墨”的趨勢顯得愈發(fā)刻不容緩。

目前，超快激光打印技術(shù)是國際上普遍流行的一項無(wú)墨打印技術(shù)。操作中，激光是“筆”，在部分特殊結構“畫(huà)布”表面上制造微納結構，以此產(chǎn)生各類(lèi)結構色，呈現出不同色彩。但是，這項技術(shù)也存在著(zhù)打印色域較窄、對材料限制大、色彩抗磨損性能較差等問(wèn)題。

超快激光在材料表面著(zhù)色的過(guò)程。西湖大學(xué)供圖

而此次公布的“飛秒激光無(wú)墨彩打”極大改善了此前的一系列缺陷。其關(guān)鍵性突破技術(shù)在于研究團隊發(fā)明的一種新穎的“紙”——厚度不過(guò)約**0納米、僅為頭發(fā)絲千分之一的陶瓷復合薄膜，為完全實(shí)現高速、高分辨、寬色域、大尺寸、觀(guān)察角度不敏感、抗老化的全彩色無(wú)油墨激光打印提供了物質(zhì)基礎。未來(lái)，這層特殊的薄膜還可以鍍在金屬、藍寶石等各種材料上，甚至也可以覆在普通的紙張上，實(shí)現更普及的飛秒激光無(wú)墨彩打。

據介紹，這種陶瓷復合薄膜分為三層：最底層是呈金屬性的氮化鈦，用于阻擋光線(xiàn)穿透，并增加亮度；中間層是高損耗的氮化鋁鈦電介質(zhì)，可調控對自然光的吸收；最頂層則是氧化鋁，當超快激光作用于氮化鋁鈦表面時(shí)，會(huì )額外形成一層以氧化鋁為主的透明薄膜，兩者將一起調控所吸收的自然光。

漂亮的青綠底就是鍍膜的顏色。西湖大學(xué)供圖

同時(shí)，不同于制造微納結構，在“飛秒激光無(wú)墨彩打”技術(shù)中，激光也創(chuàng )造性地在陶瓷薄膜紙吉印通行“雕刻”，通過(guò)改變氧化膜(氧化鋁)和氮化鋁鈦膜的厚度，將入射的自然光通過(guò)三層膜結構之間的復雜干涉效應，形成特定的反射顏色，從而呈現出豐富多彩的色彩。

目前，該技術(shù)已實(shí)現接近90%的RGB標準顏色系統，遠超當前主流的激光著(zhù)色技術(shù)；打印速度達到了*0cm2/s，一張A4紙張可以在*分鐘內實(shí)現全彩色打印。