“當(dāng)我畫太陽時(shí)，我盼望使人們感覺到它是以一種驚人的速度旋轉(zhuǎn)著，正在發(fā)出威力偉大的光和熱的浪。當(dāng)我畫一塊麥田時(shí)，我盼望人們感覺到麥粒內(nèi)部的原子正朝著它們最后的成熟和綻開而努力。當(dāng)我畫一棵蘋果樹時(shí)，我盼望人們能感覺到蘋果里面的果汁正把蘋果皮撐開，果核中的種子正在為結(jié)出本身的果實(shí)而努力”——荷蘭畫家溫森特·梵高的作品以極強(qiáng)的時(shí)間畫面感震撼了無數(shù)的藝術(shù)興趣者。然而，油畫自己并不會(huì)隨著時(shí)間的推移，演繹一幅幅的畫面。   近日，我校機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院段輝高教授同德國馬普智能研究所Na Liu教授睜開合作，基于其課題組前期開發(fā)的高分辨結(jié)構(gòu)色無油墨彩色打印技術(shù)，結(jié)合德國馬普所團(tuán)隊(duì)的智能金屬材料，動(dòng)態(tài)重現(xiàn)了梵高這幅聞名的作品——《星空》，相干工作發(fā)表在納米科技頂級(jí)期刊Nano Letters上。   結(jié)構(gòu)色全彩印刷   基于衍射、干涉或散射的結(jié)構(gòu)色無油墨彩色打印技術(shù)在高分辨彩色表現(xiàn)、濾色器、高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、商業(yè)化的防偽及數(shù)據(jù)加密中有偏重要的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的油墨染料打印，結(jié)構(gòu)色擁有高分辨、環(huán)境友愛、不易褪色等好處。在結(jié)構(gòu)色的設(shè)計(jì)方案中，基于等離激元納米結(jié)構(gòu)的高分辨彩色打印是結(jié)構(gòu)色的重要研究方向。等離激元彩色打印以不同大小和外形的金屬納米結(jié)構(gòu)為像素單元，行使金屬內(nèi)部的等離激元共振可選擇性地加強(qiáng)光的散射和吸取，從而實(shí)現(xiàn)顏色的產(chǎn)生。   正是基于此原理，2012年，段輝高教授等人通過金/銀納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了10萬dpi的高分辨無油膜的全彩打印。但貴金屬的使用限定了其廣泛的應(yīng)用。2015年，新加坡J. K. W. Yang博士等科研人員將低成本、化學(xué)性子穩(wěn)固的金屬鋁應(yīng)用到等離激元高分辨彩色打印中，清晰地微縮重構(gòu)出莫奈的名畫《日出·印象》?；诮饘黉X的等離激元彩色打印提供了一種更為實(shí)用化的無油膜彩色打印的方案，而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中動(dòng)態(tài)的像素可攜帶更多的信息，因而具有更廣泛的應(yīng)用前景。   基于此背景，2017年，德國馬普智能所的Na Liu教授研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用智能金屬材料鎂的催化氫化及脫氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了等離激元結(jié)構(gòu)色的動(dòng)態(tài)調(diào)控。這種設(shè)計(jì)不僅具有極高分辨率，同時(shí)還可以應(yīng)用于高密度信息存儲(chǔ)。但是，這種基于鎂的等離激元結(jié)構(gòu)色存在色彩飽和度差、色域窄等不足。   智能結(jié)構(gòu)色器件設(shè)計(jì)   為了進(jìn)步結(jié)構(gòu)色的純度并擴(kuò)展其色域，2016年，段輝高教授課題組基于納米精度的灰度臺(tái)階加工，在金屬鋁（Al）鏡上實(shí)現(xiàn)像素化的多厚度法布里-帕羅共振腔（FP腔），行使不同介質(zhì)厚度FP腔選擇性消光的物理原理，實(shí)現(xiàn)了廣色域、高純度的高分辨全彩打印，同時(shí)將梵高聞名的《向日葵》作品微縮至頭發(fā)絲大小的尺度并能清晰地重現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，近日，段輝高教授課題與德國馬普智能所Na Liu教授課題組睜開國際合作，將智能金鎂/鈦/鈀智能金屬層沉積在多臺(tái)階的FP腔外觀，實(shí)現(xiàn)了基于結(jié)構(gòu)色的可動(dòng)態(tài)調(diào)控彩色表現(xiàn)器件。   器件的工作原理如圖1所示：在未氫化的情況下，因?yàn)槌练e的金屬鎂將入射的可見光全反射回去，故整個(gè)畫面呈現(xiàn)為白色。當(dāng)器件置于氫氣氛圍時(shí)，在金屬鈀的催化下，氫分子變成氫原子，并與金屬鎂結(jié)合發(fā)生氫化反應(yīng)形成透明的氫化鎂（MgH₂）介質(zhì)，進(jìn)而金屬鎂由全反射態(tài)變化成透明的MgH₂介質(zhì)態(tài)，形成對(duì)特定波長(zhǎng)吸取的FP腔，從而實(shí)現(xiàn)顏色的結(jié)果。同時(shí)，顏色也可以通過引入O₂而漸漸褪去，這是由于介質(zhì)MgH₂碰到O₂發(fā)生脫氫反應(yīng)又變回金屬M(fèi)g狀況，畫面回到全白狀況。       圖 1. （a）為基于多臺(tái)階的FP腔動(dòng)態(tài)彩色表現(xiàn)器件的示意圖；（b）為該器件的工作原理圖。   全彩色動(dòng)態(tài)表現(xiàn)   基于上述的彩色打印原理，實(shí)現(xiàn)了梵高聞名的《星空》時(shí)間演繹，如圖2所示。在未通入H₂時(shí)，這個(gè)畫面重要以詬誶色調(diào)描繪的近處的樹木及遠(yuǎn)處的山脈、房屋，天空一片空白。當(dāng)有H₂引入，整個(gè)畫面漸漸開始出現(xiàn)顏色，天空漸漸變成藍(lán)色，旋轉(zhuǎn)的云彩及玉輪漸漸展現(xiàn)，隨著H₂通入時(shí)間的連續(xù)，整幅畫面的顏色純度漸漸進(jìn)步，直至達(dá)到飽和不再發(fā)生轉(zhuǎn)變。在逆過程中通入O₂，整幅星空又漸漸恢復(fù)到詬誶色調(diào)的素描畫面。作為一種全新的顯色概念，該技術(shù)在動(dòng)態(tài)表現(xiàn)元件、智能汽車玻璃、高端防偽等領(lǐng)域有望得以應(yīng)用。         圖 2. 動(dòng)態(tài)演繹的梵高名畫《星空》     本研究的樣品加工依托我校微納加工公用平臺(tái)完成，并得到了中國國家天然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、汽車車身先輩設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自立課題、德國洪堡基金會(huì)Sofja Kovalevskaja基金項(xiàng)目、歐洲科學(xué)研究委員會(huì)基金等項(xiàng)目的支撐。我校為成果的第一完成單位，德國海德堡大學(xué)、德國馬普智能研究所作為合作單位參與了本研究。     原始論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b02336.    

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