原文作者：Seung Hwan Ko

  聚合物在应力作用下形成微孔和原纤维的过程被称为银纹化，银纹化通常预示着材料破坏。现在，一种控制银纹化的方法可被用来为聚合物薄膜上色。

  当我们弯折或拉伸典型的透明玻璃态聚合物时，在材料产生裂缝或断裂前通常会局部变白。这种不可测的现象被称作银纹化，通常被认为是该竭力避免的。但在《自然》发表的一篇文章中，Ito等人发现银纹化完全可以得到控制，甚至还能用来给透明聚合物上色（Ito, M. M. et al. Nature 570, 363–367 (2019).）。受到控制的银纹化可以用于为各种柔性和透明聚合物材料进行无墨、高分辨率的彩色印刷。

  通常来说，给透明聚合物上色需要将材料与色素混合，或者在聚合物表面印刷含有色素的油墨。此外，透明聚合物还能通过在内部产生微观结构的方式来着色，这种现象称为结构生色。自然界中随处可见结构色，蝴蝶翅膀就是其中一例。Ito和同事成功在银纹化的基础上实现了结构色。

  聚合物上的银纹图案一般垂直于应力方向，由互相穿透的微米级孔洞组成，这些孔洞之间由高取向的聚合物微纤连接。如果银纹不受控制，这些微孔和微纤就会形成不同的大小，从而对应不同的光波波长，这也解释了为何银纹看上去通常是白色的。Ito和同事证明，如果可以控制银纹化，形成相互交替的多孔层和致密无孔层，就能加强不同层的反射光干涉，从而产生特定的颜色。

  团队利用一种能控制聚合物应力场的现象（聚合物用内部的应力分布平衡外力），成功控制了银纹的产生。当光敏聚合物薄膜中形成“驻波”光图案时，部分层中的聚合物分子之间会有选择地形成交联，并被没有形成交联的层隔开（图1），这个过程会在非交联层中形成拉应力。

  作者随后将这类层状薄膜置于溶剂中，通过在非交联层中形成银纹，释放形成的应力。因此，最终得到的薄膜包含交替的致密层和多孔层，让材料的折射率产生周期性变化。照射在薄膜上的光在依次排列的银纹层上反射，产生干涉效应，最终实现结构生色。

图1|聚合物无墨彩色印刷原理。a）Ito等人通过将驻波光照射在聚合物薄膜的掩膜上，成功在透明聚合物上形成了彩色图像。驻波光生成相互交替的交联聚合物和非交联聚合物，导致非交联层中产生应力。b）浸于溶剂后，非交联层会出现银纹现象——形成微观孔隙和原纤维，从而释放应力。这个过程会产生交替的致密聚合物层和多孔聚合物层，让薄膜的折射率产生周期性变化。因此，当白光照射到薄膜的聚合物层时，其反射光会形成特定颜色。理论上，这种方法可以生成所有颜色。

  Ito等人开展了一系列实验，研究各种透明聚合物薄膜的周期性银纹形成的物理机理和最佳条件。银纹中的微孔实际上就是微小的裂纹，而论文的作者认为必须控制这种裂纹的生成，才能控制整个银纹化过程。毫无疑问，作者的方法是真正意义上的成功——要知道，裂纹在非晶态材料（如聚合物薄膜）中的形成比晶态材料要复杂得多，也更难控制，因为非晶态材料的微观结构更加随机。

  虽然团队最后只生成了少数几种颜色，但理论上，通过微调交替层间距就能产生各种颜色。不同的间距反过来也能由以下几个因素控制：用于分层的光波波长以及辐照薄膜的时间；聚合物的类型和分子量；膜的初始厚度；用于产生银纹的溶剂类型和温度；以及膜浸在溶剂中的时间。

Ito等人利用有组织应力微纤维化方法（organized stress microfibrillation method）实现无墨彩色印刷，上图所示是研究人员打印的几个样例，比例尺分别是：a, 1 cm; b和 c, 3 cm; g 和 h, 50 μm(inset 200 μm);  j和k, 200 μm; l, 50 μm。图片来源：Ito, M. M. et al. Nature 570, 363–367(2019). 

  论文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-018-03446-4

  虽然这不是第一个在多层透明薄膜中观察到结构色的团队，但这一领域的大多数研究都涉及既复杂又昂贵的方法，比如在真空中的衬底上交替薄膜层（Kolle, M. et al. Nature Nanotechnol. 5, 511–515 (2010).）。也就是说，Ito和同事利用了一种曾被认为无用的现象，开发出了一种简单、廉价的方法。事实上，以前对银纹的研究主要集中在寻找抑制或预防银纹的方法，而不是如何控制它。

  作者证明，银纹控制可以用于实现超高分辨率的无墨彩色印刷（每英寸点数最高14000）；而传统的彩色印刷（如喷墨印刷）一般只能达到每英寸600-1200点——受限于可生成的墨滴大小和油墨铺展效应。这项技术的另一个优点是，印刷时间不再过度依赖于衬底的尺寸，因为它采取平行处理的方式，即整个图案同时印刷到聚合物薄膜上；而传统的喷墨印刷是一个连续写入过程，打印面积越大，耗时也越长。

  这项研究的意义并不仅限于透明聚合物材料的上色，它还将增进我们对银纹现象的全面理解。例如，Ito等人描述的银纹化发生在面外方向（层沿着薄膜厚度的方向上堆积），而非一般情况下受应力作用聚合物薄膜的面内。这个有趣现象或值得进一步研究。此外，银纹控制的力学和电学性能也很有探索空间。

  作者的方法出奇地简单，可以轻易用于现有的聚合物着色技术。然而，和任何新技术一样，它还有几个障碍需要克服。作者的方法在很大程度上局限于特定的操作条件和材料组合，对其他材料的适用性也有待挖掘。深入研究这项技术背后的物理机制，或能发现如何将该方法应用于所有的聚合物材料。与此同时，除了透明聚合物的无墨彩印之外，银纹控制技术或能在电子设备和传感器上得到更加激动人心的应用。

  原文以Crazy colour printing without ink为标题发布在2019年6月19日《自然》新闻与观点上。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-019-01856-6