實驗列印影象（圖片來源：原論文）
五彩斑斕的黑，浮翠流丹的白，如果老闆這樣蠻不講理的要求讓你感到焦頭爛額，或許中科院化學所的科學家能幫你一把。對他們而言，這樣的要求不過小菜一碟，只用一種透明墨水就能實現。他們用的列印裝置和家用噴墨印表機並無本質上的區別，但在顯色的物理原理上，比起列印，他們更像是在封裝彩虹。
撰文｜王昱
審校｜李凱旋（論文第一作者）
我們的生活不能失去色彩，顯示屏主動發光顯示色彩，紙張書籍等則透過被動反光產生顏色。對大部分透過被動方式顯示顏色的物體而言，顏料決定了它們的色彩。顏料本身的分子對不同頻率光的吸收率、反射率不同，也就造就了顏料本身的顏色。
特定顏色的顏料曾經非常難以獲得，比如古羅馬帝國很難獲得紫色顏料，紫色甚至因此成了皇家專屬的顏色。不過在有機合成成熟之後，我們可以細緻的控制分子的形態，調控分子和光子的相互作用關係，進而製備特定顏色的顏料。如今，好像再也沒有什麼顏色是我們製造不出來的了。
除了你老闆讓你幫他畫出來的五彩斑斕的黑。
如果你現在正因為這個要求而在心裡默默說著老闆的壞話，不妨看看中科院化學所綠色印刷重點實驗室的最新成果。最近在《科學·前沿》發表的一篇論文中，他們公佈了一種印刷方式，可以列印五彩斑斕的黑、浮翠流丹的白。最神奇的是，他們彩色列印只需要一種顏色的墨水，而這種墨水本身的則是無色透明的。
透明的色彩
這種列印方式本質上和家用的噴墨印表機是一致的，它們都會將一定數量的墨滴噴到待列印的表面上。一滴墨滴就像顯示屏上的一顆畫素，當大量墨滴排列起來時，我們就成功打印出了一幅影象。對於傳統的噴墨列印，印表機透過控制CMYK（C，cyan，青色；M，magenta，洋紅色；Y，yellow，黃色；K，key plate，實際多用黑色black）四色墨水的量來控制顏色，其實還是靠四色顏料調製出了各種色彩。但想用透明墨水打印出色彩，則在顯色原理上有本質的不同。
墨滴被列印到表面上後會形成特定的弧面（圖片來源：原論文）
首先，一般的紙面肯定是用不了這種列印方式的，打印表面必須是透明的。使用透明墨水列印，當墨滴被列印到表面時，其表面會因表面張力形成一個弧面。當白光從透明表面另一側射過來時，光線會在墨滴內發生全內反射，而不同顏色，也就是不同頻率的光線的全內反射路線又有所差別，所以在光線射出液滴表面時，不同顏色的光線就被分成不同角度發向不同的方向。而在一個特定的角度上看，這個墨滴也就具有了色彩。
墨滴內部的光路示意圖（圖片來源：原論文）
如果想要控制墨滴的顏色，本質上我們需要調整的是墨滴內的光路，為此需要調整弧面的形狀。墨滴與打印表面的接觸角和墨滴大小兩者共同決定了弧面的形狀，前者是由材料性質決定的，根據研究，只有在接觸角大於46°時才能發生全內反射產生色彩。對於同一種透明墨水，我們可以控制的是液滴大小。只要控制噴了多少滴墨水，我們就能控制墨滴大小，進而控制它的顏色了。
控制墨滴的大小就能控制墨滴的顏色（圖片來源：原論文）
墨滴的列印方式和彩虹非常類似，彩虹也是透過水滴對陽光的全內反射產生的。與其說科學家用透明墨水在列印，不如說，在噴墨、定型的過程中，他們是將彩虹封裝在一滴滴透明墨水中，再排列出來組成影象。
實驗列印影象（圖片來源：原論文）
五彩斑斕的黑
聰明的你可能已經發現了，用這種方法列印的墨滴並非只呈現一種顏色。墨滴既然能將不同顏色的光線分向不同的方向，那從不同方向看墨滴的顏色就一定是不同的。也正因此，研究人員在研究如何用透明墨水列印的同時，碰巧解決了五彩斑斕的黑這一“世紀難題”。實際上，這種方法打印出的任何一種色彩，在不同方向上看都會存在細微的差別。
有一個術語專門描述這種現象：虹彩，它還標誌著這種列印方式和傳統化學色本質上的不同——透明墨水呈現的是一種結構色。化學色利用了顏料本身反射、吸收不同顏色光的性質，而結構色則是透過物體微米、奈米級的結構，讓光線反射、折射、衍射、干涉，進而形成特定的色彩。
結構色在生活中其實很常見，雨後地面上色彩變幻的油汙，流光溢彩的氣泡，甚至一些牛肉表面浮現的綠色，都是結構色的結果。結構色對物質結構非常敏感，儀器製造時，結構色還能用來檢驗平整度，精度輕易就能達到可見光波長以下——也就是幾百奈米的級別。你現在就能找到結構色，摘下你的眼鏡（雖然我們大部分讀者都帶眼鏡並不是什麼令人高興的事情），用它透過反射觀察一些光源，你會發現反射的圖案帶有特定顏色，這就是鏡面鍍膜的效果。鍍膜之後可見光能更容易地透過鏡片，不過同時，眼鏡反光也會帶上特定的顏色。
甚至還有人在巧克力上做出了結構色（圖片來源：ETH Zurich/Giulia Marthaler）
但五彩斑斕的黑並不是科學家想要實現的目標，實際上，虹彩是他們想極力避免的東西。畢竟，如果一個圖片在你看來是紅色，在你旁邊的朋友看來卻是黃色，想必會造成不少誤會。五彩斑斕的黑，看上去是個feature，實際卻是個bug。不過，如果你就是看中了這個bug產生的feature，那結構色也能滿足你。實際上，不少包裝瓶、包裝盒上流光溢彩的效果，都是透過結構色的原理產生的。而對於用透明墨水列印的科學家而言，他們正在努力避免這個結果。
不褪色的封裝彩虹
現代有機合成讓我們精細控制分子結構實現不同的化學色，但有機分子有一個致命的缺點：容易被氧化。有機分子結構被破壞後，自然不能保持原有的色彩，用有機顏料列印的照片自然也就褪色了。而當透明墨水被列印到表面上時，它只依靠液滴形成的弧面產生顏色，而墨滴被列印定型後，它呈現的顏色就不會再改變了。
傳統顏料生產涉及重金屬，是重汙染行業，而透明聚合物種類繁多，其中不少我們已經有辦法用較為環保的方式生產。自然界的彩虹能讓人感到身心愉悅，人造的“封裝彩虹”也不會給自然環境造成負擔。
如果你擔心透明材料讓你列印的內容更容易被人“偷窺”，這種“封裝彩虹”還自帶防窺功能。因為只有當光線從沒有墨滴的那一面入射時，才能形成全內反射的光路，在有墨滴的那一面觀看時，列印內容完全是透明的，無法分辨。
打印出的色彩只能在墨滴所在面的反面才能看到（圖片來源：原論文）
只要是透明表面，都能用上這種列印方式。只要材料純度足夠，不影響墨滴弧面的形狀，不論是硬質材料還是柔性材料，都能用上這種列印方法。如果規模化應用這項技術，我們或許能在玻璃幕牆內側列印墨滴，這樣，建築內能看到窗外的景色，窗外的人就能看到窗上列印的內容，又或者警告小鳥不要撞到窗戶。
牛頓當初發現白光其實包含了多種顏色，牛頓還用三稜鏡把不同顏色的光分開。幾百年後，科學家掌握了比三稜鏡複雜得多的技術，也正是由此，我們終於有辦法把遠在天邊的彩虹封裝起來，捧在手心。
感謝中科院化學所綠色印刷重點實驗室宋延林老師，李凱旋同學對本文的幫助！
參考連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1992
https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/12/shimmering-chocolate.html
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不代表中科院物理所立場
來源：環球科學
編輯：Paarthurnax
