Qiu Mins Team an der Westlake University erzielte einen entscheidenden technologischen Durchbruch beim „tintenlosen Farbdruck mit Femtosekundenlaser“.

Er hat einen Durchmesser von 5 cm und fühlt sich so leicht an wie der Flügel einer Zikade. das Muster enthält 13 Farben, ohne dass ein einziger Tropfen Tinte verwendet wird; die Farben sind für das bloße Auge satt und werden noch lange leuchten ... Letzten Sommer waren alle Erstsemesterstudenten der Westlake University, als sie die Geschenkbox ihres Zulassungsschreibens öffneten, angenehm überrascht, dieses einzigartige Oblatenbild in Form eines „Grußgeschenks zur Wissenschaft“ auf der Zulassungs-Souvenirkarte zu entdecken.

Tatsächlich war dieses Debüt vor einem halben Jahr nur der erste Versuch der Wissenschaftler. Vor kurzem konnten wir endlich einen Blick auf das wahre Gesicht dieser Technologie werfen – das Team von Qiu Min von der Westlake University hat in der neuesten Ausgabe von Nature Communications eine entsprechende Arbeit mit dem Titel „High-speed laser writing of structural colors for full-color inkless printing“ (Hochgeschwindigkeits-Laserschreiben von Strukturfarben für vollfarbigen, tintenlosen Druck) entschlüsselt. Sie verwendeten einen Verbundfilm aus zwei superharten Keramikmaterialien, Titannitrid und Aluminiumtitannitrid, als spezielles „Papier“ und nutzten ultraschnelle Laser zur Mikro-Nano-Bearbeitung seiner Oberfläche, um einen „Femtosekundenlaser-Farbdruck ohne Tinte“ zu erreichen und lieferten damit neue Ideen für die industrielle Anwendung der Laser-Farbdrucktechnologie ohne Tinte.

Bekannter „tintenbasierter“ Druck

Haben Sie Fragen?

Im Büro oder zu Hause ist das kein ungewöhnlicher Anblick: Man drückt kurz auf die „Drucken“-Taste am Computer und der angeschlossene Drucker spuckt effizient Papier aus. Ganz bequem halten Sie die elektronischen Inhalte in farbiger Papierform in der Hand, egal ob Dokument, Diagramm oder Foto.

Angesichts der Popularität von Farbdruckern ist dies in Tausenden von Haushalten offensichtlich zur täglichen Routine geworden. Derzeit liegt das jährliche Verkaufsvolumen an Druckern weltweit bei fast 150 Millionen Einheiten.

Allerdings sind Drucker eine der wichtigsten Quellen der Umweltverschmutzung, da die weit verbreiteten Tintenstrahl- oder Laserfarbdrucker große Mengen Tinte oder Toner benötigen und diese Pigmente eine nicht zu vernachlässigende Umweltverschmutzung verursachen und dem menschlichen Körper schaden. Die Tinte enthält bestimmte Konzentrationen flüchtiger Schadstoffe und Elemente wie Blei, Cadmium, Quecksilber und polybromierte Biphenyle; Beim Betrieb des Druckers setzt der Toner zudem eine große Anzahl von Mikropartikeln frei, die vom menschlichen Körper aufgenommen werden können. Studien haben gezeigt, dass in einem geschlossenen Raum, wenn ein Drucker in Betrieb ist, die Anzahl der Schwebeteilchen in der Luft fünfmal höher ist als gewöhnlich.

Wie wird man "Tinte" los? Der Mensch „stiehlt“ erneut von der Natur.

Erinnern Sie sich an eine Zeit, als Sie die bunten Flügel eines Schmetterlings oder Insekts aus der Nähe bewundert oder die bunten Federn eines Vogels beobachtet haben? Man könnte meinen, ihre leuchtenden Farben kämen von den Pigmenten in ihrem Körper (chemische Farben), tatsächlich sind sie jedoch das Ergebnis von Strukturfarben (physikalischen Farben). Wenn Licht auf eine große Anzahl geordneter Strukturen an winzigen Stellen trifft, kommt es zu Reaktionen wie Brechung, diffuser Reflexion, Beugung oder Interferenz, wodurch Farbe entsteht. Tatsächlich wird bei diesem Verfahren kein „Pigment“ verwendet. Strukturfarben haben gegenüber Pigmenten die Vorteile der Lichtechtheit, der hohen Auflösung und des Umweltschutzes.

Können wir also dem Beispiel der Natur folgen und Strukturfarben auf den tintenlosen Druck anwenden?

Wissenschaftler haben einen mutigen Versuch unternommen, mithilfe ultraschneller Laser Mikro-Nanostrukturen auf der Oberfläche von Materialien zu erzeugen und so Strukturfarben zu produzieren: die ultraschnelle Laserfarbdrucktechnologie. Bei dieser Technologie ist das Licht (Laser) der „Stift“ und zugleich der „Schöpfer“ der speziell strukturierten „Leinwand“. Beispielsweise verwenden die verschiedenen herkömmlichen Codepapiere zum Schutz vor Fälschungen die Regenbogenfarben, die durch laserinduzierte selbstorganisierte Nanogitter erzeugt werden. Es hat einen gewissen Anwendungswert im Fälschungsschutz, kann jedoch keine Muster in bestimmten Farben erzeugen. In Kanada wird diese Technologie auch zum Drucken von Münzen und Gedenkmünzen verwendet, aber ihr Druckfarbraum ist schmal und deckt nur 15 % des Farbraums des Standardfarbsystems RGB ab. und es kann nur auf der Oberfläche von Edelmetallen hergestellt werden, was bedeutet, dass große Materialbeschränkungen bestehen; Auch die Abriebfestigkeit der Farbe ist gering und die Farbe verblasst leicht.

Das heißt, trotz verschiedener Untersuchungen und Versuche von Wissenschaftlern gibt es mehr oder weniger „Mängel“. Die Frage, wie sich der Farbumfang des ultraschnellen Laserfarbdrucks erweitern lässt (d. h. mehr Farben drucken lassen) und wie sich Farben erzielen lassen, die sich nicht mit dem Betrachtungswinkel ändern, ist zu einem zentralen Thema geworden, das in der aktuellen Forschung zur Laserfarbtechnologie gelöst werden muss.

Keramik als „Papier“ und Laser als „Stift“ verwenden

Welche Funken werden entstehen?

Nanophotonics and Instrument Technology Laboratory, das ist der „große Name“ von Qiu Mins Labor an der Westlake University. Qiu Min, der Leiter des Labors, ist seit 20 Jahren „dem Licht entgegen“ unterwegs und konzentriert sich dabei auf die Forschung im Bereich der Mikro-Nano-Photonik.

Im vergangenen Jahr haben Forscher im Labor von Qiu Min einen innovativen Vorschlag zur Verwendung von ultraschnellen Lasern zur Verarbeitung von keramischen Verbundkeramikfilmen gemacht und damit einen entscheidenden Durchbruch in der ultraschnellen Laserfarbdrucktechnologie erzielt.

Abbildung 1. Schematische Darstellung des Prinzips der ultraschnellen Laserfärbung auf der Oberfläche von Verbundkeramikfilmen

Der Kern dieser Technologie liegt darin, dass sie ein neuartiges „Papier“ erfunden haben – die Dicke beträgt nur etwa 110 Nanometer, also nur ein Tausendstel eines Haares. Dieses „Papier“ ist in drei Schichten unterteilt: Wie in Abbildung 1 dargestellt, haben die Forscher nacheinander 50 Nanometer Titannitrid und 60 Nanometer Aluminiumtitannitrid auf ein einkristallines Siliziumsubstrat plattiert. Die erste Schicht, also die unterste Schicht von oben nach unten, besteht aus metallischem Titannitrid, das als lichtreflektierende Schicht fungiert – seine Funktion besteht darin, das Eindringen von Licht zu verhindern und die Helligkeit zu erhöhen. Die zweite Schicht, ein verlustreiches Titanaluminiumnitrid-Dielektrikum, reguliert die Absorption von natürlichem Licht – wie wir wissen, wird die Farbe von Objekten durch das Licht bestimmt, das sie absorbieren. Die dritte Schicht ist die oberste Schicht aus Aluminiumoxid. Wenn der ultraschnelle Laser auf die Oberfläche von Aluminiumtitannitrid einwirkt, bildet sich ein zusätzlicher transparenter Film, der hauptsächlich aus Aluminiumoxid besteht. Es arbeitet mit Aluminiumtitannitrid zusammen, um das absorbierte natürliche Licht zu regulieren.

Aufgrund ihrer hohen Härte werden Titannitrid und Aluminiumtitannitrid als keramische Werkstoffe bezeichnet. Diese Schicht aus „Keramik“ aus federleichtem „Papier“ wird zur „äußeren Schicht“, die auf dem Objekt angebracht wird, auf das das Muster gedruckt werden soll.

Gleichzeitig hat das Team von Qiu Min eine weitere Anwendung für den „Stift“ entwickelt: Dieser Stift ist zwar immer noch ein Laser, doch bei ihrer Technologie erzeugt der Stift keine Strukturen mehr direkt auf der Oberfläche von Objekten, sondern „schnitzt“ stattdessen in Keramikfolienpapier. Ein Laser wird auf den Film projiziert und durch Steuerung der Energie oder der Scangeschwindigkeit des einfallenden Lasers kann die Dicke des Oxidfilms (Aluminiumoxid) und des Aluminiumtitannitridfilms gleichzeitig geändert werden. Nach der Änderung der Dicke durchläuft das einfallende natürliche Licht den komplexen Interferenzeffekt zwischen der dreischichtigen Filmstruktur und erzeugt eine spezifische Reflexionsfarbe. So entstehen satte und farbenfrohe Farben, wie in Abb. dargestellt. 2a.

Abbildung 2. Typische Farbpalette (a) und Farbraumbereich (b) des Laserdrucks

Anschließend nutzten die Forscher eine Reihe technischer Mittel wie energiedispersive Röntgenstrahlen, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Röntgenbeugung und fokussiertes Ionenstrahlätzen, um Materialanalysen an den lasergefärbten Bereichen durchzuführen und zu bestätigen, dass die beobachteten Farben tatsächlich von der laserinduzierten Oxidschicht stammten. Mit anderen Worten: Das von ihnen entwickelte „Papier“ und der „Stift“ ermöglichten endlich die ideale Möglichkeit zum tintenlosen Laserfarbdruck.

Bunt, effizient, zeitlos

Die schöne Welt wiederherstellen

Jeder Fortschritt in der wissenschaftlichen Forschung kann nicht von einer praxisnahen Überprüfung getrennt werden. Nach einer kurzen Feier begann das Forschungsteam sofort mit Testrunden der neuen Technologie.

Sie waren angenehm überrascht, dass das „Spezialpapier“ aus zwei superharten Keramikmaterialien, Titannitrid und Aluminiumtitannitrid, einen schnellen, hochauflösenden, großen Farbraum, große Formate, beobachtungswinkelunabhängigen und alterungsbeständigen Vollfarb-Laserdruck ohne Tinte ermöglicht.

Großer Farbumfang. Derzeit erreicht die von Qiu Mins Labor entwickelte Technologie des „Femtosekundenlaser-Farbdrucks ohne Tinte“ fast 90 % des RGB-Standardfarbsystems (siehe Abbildung 2b) und übertrifft damit die derzeit gängige Laserfarbtechnologie bei weitem. Die Forscher erklärten, dass im Vergleich zum bisherigen herkömmlichen Laserfärbeschema der „laserinduzierten Oxidfilmbildung auf der Oberfläche von Edelstahl“ ersteres einen einschichtigen Oxidfilm mit nur einer variablen Variable bildet, während ihre laserinduzierte zusammengesetzte Dünnfilmoxidation gleichzeitig die Dicke des Oxidfilms (Aluminiumoxid) und des Aluminiumtitannitridfilms ändern kann, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad hinzugefügt wird und ein breiteres Farbspektrum erreicht wird.

Hohe Geschwindigkeit und hohe Auflösung. Mit dieser Technologie ist sowohl ein schneller als auch ein hochauflösender Vollfarbdruck ohne Tinte möglich. In Bezug auf die Druckgeschwindigkeit hat die Technologie rekordverdächtige 10 cm2/s erreicht, wie in Abbildung 3 dargestellt. Dies bedeutet, dass ein Blatt A4-Papier innerhalb von 1 Minute in Farbe bedruckt werden kann. In Bezug auf die Druckauflösung demonstrierten die Forscher einen Farbdruck mit 10.000 dpi, was mehr als dem Zehnfachen der höchsten Auflösung des herkömmlichen Tintendrucks entspricht.

Die Farbe ändert sich nicht mit dem Betrachtungswinkel. Die hohen Absorptionseigenschaften von Titanaluminiumnitrid führen zu einer erheblichen zusätzlichen Phasendifferenz an seiner Schnittstelle, die die durch die unterschiedliche Filmdicke bedingte Farbänderung mit dem Beobachtungswinkel ausgleicht. Einfach ausgedrückt: Da diese „Federschicht“ so dünn ist, ändert sich die Farbe grundsätzlich in keinem Winkel im Bereich von 0–80°, was ein weiteres schwieriges Problem im Bereich der Laserfärbung darstellt (siehe Abbildung 4).

Die Farben sind „zeitlos“. Die Forscher führten eine Reihe von Zerstörungsexperimenten durch, testeten die Alterungsbedingungen in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit (Doppel-85-Experiment), testeten die Korrosionsbeständigkeit in einer Salzsprühumgebung und führten Experimente wie Photobleichen und Haftung durch, aber die Arbeiten des „tintenlosen Farbdrucks mit Femtosekundenlaser“ sind immer noch „zeitlos“. Dies liegt daran, dass der dichte Aluminiumoxidfilm, der sich auf der Oberfläche von Aluminiumtitannitrid bildet, als gute Schutzschicht fungiert. Nach einer Reihe von Anti-Aging-Tests gemäß nationalen Standards bestätigten die Forscher außerdem, dass der durch Laser auf Titanaluminiumnitrid verursachte Farbunterschied immer noch weniger als 7 beträgt, was den Anforderungen industrieller Anwendungen voll entspricht.

Abbildung 4. Laserkolorierte Farbtafeln aus verschiedenen Blickwinkeln

Der letzte Schritt des Experiments ist der „farbenprächtigste“ und „herrlichste“. Können Sie glauben, dass dies alles „Kunstmeisterwerke“ einer Gruppe von Ingenieurstudenten sind?

Picassos berühmtes Gemälde „Weinende Frau“

„Frühlingsmorgen im Han-Palast“ von Qiu Ying, einem berühmten Maler der Ming-Dynastie——

Wang Xizhis Kalligraphie „Lanting Preface“

Unter ihnen wurde „Frühlingsmorgen im Han-Palast“ auf eine raue, unpolierte Oberfläche aus Einkristall-Silizium gedruckt, während „Vorwort zu den Lanting-Gedichten“ auf eine weiche Stahlfolie gedruckt wurde. Dies wird auch ein großer Vorteil dieser Laserdrucktechnologie im Vergleich zu herkömmlichen Mikro-Nano-Verarbeitungstechnologien (wie Elektronenstrahlätzen und Nanoimprinting) sein, die ebenfalls Strukturfarben erzeugen.

Im Jahr 2022 wurden der erste Jahrgang von Bachelorstudenten der Westlake University und mehr als 20 Mitglieder des Beratungsausschusses der Westlake University, darunter Yang Zhenning, die ersten Zeugen dieser Technologie (Abbildungen 5-6).

Abbildung 5. Zulassungssouvenirs, die von Forschern aus Qiu Mins Labor für den ersten Jahrgang von Studenten der Westlake University hergestellt wurden

Abbildung 6. Ein Souvenir, das von Forschern aus Qiu Mins Labor für Herrn Yang Zhenning hergestellt wurde

Wie wird diese Technologie unser Leben in Zukunft verändern? Die Mitglieder des Forschungsteams scherzten, dass die Beantwortung dieser offenen Frage der Öffentlichkeit überlassen sei. „Stellen Sie es sich einfach vor, und wir machen es wahr“ – nach der Veröffentlichung von „The Wandering Earth 2“ reagierten die China Aerospace Science and Technology Corporation, die China National Petroleum Corporation, die China Petrochemical Corporation, die COFCO Corporation und andere auf die großartige Fantasie des Films. Und dieser Anruf ist genau die Stimme von Qiu Mins Team. Die Mission der Wissenschaftler besteht darin, Bereiche zu erforschen, die von ihren Vorgängern nicht erreicht wurden, und das Unmögliche Schritt für Schritt möglich zu machen.

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Der Weg von 0 auf 1 war schon immer voller Dornen. Auf technischer Ebene sagte Dr. Geng Jiao, der Erstautor dieses Artikels, dass der schwierigste Teil das Parameter-Debugging sei. Um nahezu 90 % der RGB-Standardfarben darstellen zu können, wurden diese Hunderte Male modifiziert, bevor bei der Begegnung zwischen Laser und Film Funken der richtigen Farbe entstehen konnten.

Für eine derartige Änderung gibt es keinen Präzedenzfall. Die größte Herausforderung besteht darin, die „Inspiration“ der Technologie selbst zu erzeugen. Tatsächlich ist die Hauptstruktur des vom Institut entwickelten „Papiers“, nämlich das Hinzufügen einer Halbleiterabsorptionsschicht auf der reflektierenden Metallschicht, die übliche Struktur der traditionellen Mikro-Nano-Verarbeitung zur Erzeugung von Strukturfarben; aber die Kombination dieser Struktur mit Lasermitteln und der Ersatz geeigneterer Materialien zum „Drucken“ bunter Farben sei ein Versuch, der „noch nie zuvor unternommen wurde“.

Die Entwicklung dieser Technologie dauerte nur etwa ein Jahr. Diese effiziente Innovation ist nicht nur darauf zurückzuführen, dass wir auf den Schultern unserer „Vorgänger“ stehen, sondern basiert auch auf der jahrelangen Forschungsarbeit des Teams. Das Team von Qiu Min forscht seit mehr als einem Jahrzehnt zur Regulierung der Lichtabsorption durch Mikro-Nanostrukturen. Während einer der korrespondierenden Autoren, Dr. Shi Liping, als Postdoktorand in Deutschland tätig war, erfuhr er durch seine langjährige Zusammenarbeit mit Professor Harald Giessen von der Universität Stuttgart vom Material Titannitrid. Im Hinblick auf die ultraschnelle Laserfarbdrucktechnologie hat eine detaillierte Untersuchung des Fachgebiets durch den Akademiemitglied Hong Minghui, ehemals an der National University of Singapore und jetzt an der Xiamen University, das Team auf die vorhandenen technischen Mittel und Engpässe der tintenlosen Laserfärbung aufmerksam gemacht. Erst letztes Jahr schlug das Team vor, drei superharte Keramikmaterialien – Titannitrid (TiN), Aluminiumnitrid (AlN) und Titanaluminiumnitrid (TiAlN) – zu verwenden, um ultradünne, extrem verschleißfeste optische Farbbeschichtungen zu erzielen (veröffentlicht in PhotoniX). Während dieser Studie fielen dem Team die optischen und mechanischen Eigenschaften von Titannitrid und Aluminiumtitannitrid auf, was zu der Idee führte, diese beiden Materialien in die tintenlose Drucktechnologie zu migrieren …

Natürlich bedeuten die aktuellen Ergebnisse nicht das Ende. Es birgt neue Herausforderungen und ist zugleich ein neuer Ausgangspunkt. Auch in Zukunft wird das Team von Qiu Min diese Technologie weiterentwickeln und neue Durchbrüche erzielen: beispielsweise durch die Optimierung der Parameter von Lasern und Verbundfolien, die weitere Erweiterung des Farbumfangs der Laserdrucktechnologie und die Verbesserung von Sättigung und Farbhelligkeit; Erweiterung neuer Materialien, sodass Farben gedruckt und gelöscht werden können, wodurch die Druckkosten gesenkt werden; In Kombination mit künstlicher Intelligenz ermöglicht sie es Computern, das menschliche Auge zu ersetzen, um entsprechende Farbblöcke auszuwählen und direkt zu drucken … Sie werden weiterhin dem „Licht“ nachjagen.

Die Westlake University ist die einzige Einheit, die dieses Dokument vervollständigt. Dr. Geng Jiao ist der Erstautor, Dr. Shi Liping und Guoqiang-Lehrstuhlprofessor Qiu Min sind die korrespondierenden Autoren des Artikels und zu den Co-Autoren gehören der Doktorand Xu Liye und Dr. Yan Wei. Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China und der Zhejiang Natural Science Foundation finanziert und technisch von der Mikro-Nano-Verarbeitungsplattform und der physikalischen und chemischen Testplattform der Westlake University unterstützt.

Originallink:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36275-9