时间：2017年08月29日 信息来源：湖南大学新闻网 点击：次 【 加入收藏 】【 字体：大 中 小 】

 

“当我画太阳时，我盼望使人们感觉到它是以一种惊人的速度旋转着，正在发出威力伟大的光和热的浪。当我画一块麦田时，我盼望人们感觉到麦粒内部的原子正朝着它们最后的成熟和绽开而努力。当我画一棵苹果树时，我盼望人们能感觉到苹果里面的果汁正把苹果皮撑开，果核中的种子正在为结出本身的果实而努力”——荷兰画家温森特·梵高的作品以极强的时间画面感震撼了无数的艺术兴趣者。然而，油画自己并不会随着时间的推移，演绎一幅幅的画面。   近日，我校机械与运载工程学院段辉高教授同德国马普智能研究所Na Liu教授睁开合作，基于其课题组前期开发的高分辨结构色无油墨彩色打印技术，结合德国马普所团队的智能金属材料，动态重现了梵高这幅闻名的作品——《星空》，相干工作发表在纳米科技顶级期刊Nano Letters上。   结构色全彩印刷   基于衍射、干涉或散射的结构色无油墨彩色打印技术在高分辨彩色表现、滤色器、高密度光学数据存储、商业化的防伪及数据加密中有偏重要的应用。相比于传统的油墨染料打印，结构色拥有高分辨、环境友爱、不易褪色等好处。在结构色的设计方案中，基于等离激元纳米结构的高分辨彩色打印是结构色的重要研究方向。等离激元彩色打印以不同大小和外形的金属纳米结构为像素单元，行使金属内部的等离激元共振可选择性地加强光的散射和吸取，从而实现颜色的产生。   正是基于此原理，2012年，段辉高教授等人通过金/银纳米结构实现了10万dpi的高分辨无油膜的全彩打印。但贵金属的使用限定了其广泛的应用。2015年，新加坡J. K. W. Yang博士等科研人员将低成本、化学性子稳固的金属铝应用到等离激元高分辨彩色打印中，清晰地微缩重构出莫奈的名画《日出·印象》。基于金属铝的等离激元彩色打印提供了一种更为实用化的无油膜彩色打印的方案，而在现实应用中动态的像素可携带更多的信息，因而具有更广泛的应用前景。   基于此背景，2017年，德国马普智能所的Na Liu教授研究团队运用智能金属材料镁的催化氢化及脱氢反应实现了等离激元结构色的动态调控。这种设计不仅具有极高分辨率，同时还可以应用于高密度信息存储。但是，这种基于镁的等离激元结构色存在色彩饱和度差、色域窄等不足。   智能结构色器件设计   为了进步结构色的纯度并扩展其色域，2016年，段辉高教授课题组基于纳米精度的灰度台阶加工，在金属铝（Al）镜上实现像素化的多厚度法布里-帕罗共振腔（FP腔），行使不同介质厚度FP腔选择性消光的物理原理，实现了广色域、高纯度的高分辨全彩打印，同时将梵高闻名的《向日葵》作品微缩至头发丝大小的尺度并能清晰地重现。在此基础上，近日，段辉高教授课题与德国马普智能所Na Liu教授课题组睁开国际合作，将智能金镁/钛/钯智能金属层沉积在多台阶的FP腔外观，实现了基于结构色的可动态调控彩色表现器件。   器件的工作原理如图1所示：在未氢化的情况下，因为沉积的金属镁将入射的可见光全反射回去，故整个画面呈现为白色。当器件置于氢气氛围时，在金属钯的催化下，氢分子变成氢原子，并与金属镁结合发生氢化反应形成透明的氢化镁（MgH₂）介质，进而金属镁由全反射态变化成透明的MgH₂介质态，形成对特定波长吸取的FP腔，从而实现颜色的结果。同时，颜色也可以通过引入O₂而渐渐褪去，这是由于介质MgH₂碰到O₂发生脱氢反应又变回金属Mg状况，画面回到全白状况。       图 1. （a）为基于多台阶的FP腔动态彩色表现器件的示意图；（b）为该器件的工作原理图。   全彩色动态表现   基于上述的彩色打印原理，实现了梵高闻名的《星空》时间演绎，如图2所示。在未通入H₂时，这个画面重要以诟谇色调描绘的近处的树木及远处的山脉、房屋，天空一片空白。当有H₂引入，整个画面渐渐开始出现颜色，天空渐渐变成蓝色，旋转的云彩及玉轮渐渐展现，随着H₂通入时间的连续，整幅画面的颜色纯度渐渐进步，直至达到饱和不再发生转变。在逆过程中通入O₂，整幅星空又渐渐恢复到诟谇色调的素描画面。作为一种全新的显色概念，该技术在动态表现元件、智能汽车玻璃、高端防伪等领域有望得以应用。         图 2. 动态演绎的梵高名画《星空》     本研究的样品加工依托我校微纳加工公用平台完成，并得到了中国国家天然科学基金委面上项目、汽车车身先辈设计制造国家重点实验室自立课题、德国洪堡基金会Sofja Kovalevskaja基金项目、欧洲科学研究委员会基金等项目的支撑。我校为成果的第一完成单位，德国海德堡大学、德国马普智能研究所作为合作单位参与了本研究。     原始论文链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b02336.    

责任编辑：戚家坦