结构色又称物理色，是由微观物理结构与自然光之间的相互作用所产生的颜色，是一种更加环保和稳定的呈色方式。
近些年，结构色在许多前沿领域，如新型显示、环保涂层、色度传感、防伪标签等方面，都展现出了重要的研究价值与应用前景。
而利用打印的方式对结构色进行设计与调控，实现结构色的快速图案化，是赋予结构色功能、发展高性能结构色应用的关键。
透明聚合物墨水的全彩结构色打印
2021年，本研究组基于对液滴沉积形貌的精确控制与微结构呈色机制的深入研究，通过精确控制打印墨滴的微观形貌，发展了一种使用透明高分子墨水打印全彩结构色图像的方法。
这种色彩的产生源于微尺度凹形光学界面对白光的调制，是一种由全内反射和干涉导致的新型呈色机制，对光学界面的变化极其敏感。
研究人员通过将这种呈色原理与高精度打印技术结合，把透明的聚合物墨滴精确打印成了能够调控全内反射的光学微结构，不同尺寸的微结构可以对不同波长的光进行选择性地干涉增强，进而反射特定波段的颜色。
精确并高效地制备全内反射光学微结构是实现这种结构色全色打印的基础。
研究人员制备了一系列不同浸润性的基材来调控聚合物墨滴打印沉积后的微结构形状，并利用计算机程序精确设计每个位点墨滴沉积的数目以控制打印位点的尺寸，从而实现了对聚合物微结构曲率以及尺寸的精准打印。
在疏水基材上精确打印了不同皮升量级的墨滴，制备了一系列曲率相同但尺寸不同的微尺度光学界面，进而获得了与光学模拟计算相对应的全色像素点。
此外，通过对像素点空间位置的精准分布，实现了宏观的全色系打印；同时揭示了微结构形貌与颜色、灰度的对应规律，不需添加任何染料色素，便打印出了各种彩色人像图案。
单一透明墨水打印全彩结构色图像
这种方法具有普适性，成本低廉，适合工业化生产，而且从不同面观察，可以表现出特有的彩色和透明的Janus“双面神”特性，为结构色打印在彩色印刷、新型显示、高精度防伪以及高灵敏传感等领域的应用提供了全新的思路。
墨水的普适性制备和打印结构色的特性
胶体光子晶体的高性能结构色打印
光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。
当光子晶体的带隙位于可见光区域时，特定频率的光会被表面反射，呈现出该波段特有的色彩。
本研究组发展了一系列打印胶体颗粒墨水、构造结构色图案的方法，制备了结构可控、禁带可调、强度高、紧密堆积的光子晶体微球，极大推动了光子晶体的应用。
Gianneschi研究组通过化学合成制备出了在可见光谱范围内具有高折射率和强光吸收的黑色素胶体纳米颗粒，并将其应用于喷墨打印，制备出了无裂纹的球冠形光子晶体。
这种光子晶体结构色不仅颜色饱和度较高、没有角度依赖性，还具有良好的生物相容性、耐光和耐化学漂白等特性，是制备结构色的理想材料。
球冠形黑色素胶体纳米颗粒结构色打印
Kim团队通过改进胶体颗粒墨水，打印出了兼具高亮度和饱和度的光子晶体结构色图案。
使用这种墨水，所设计的图案可以被直接打印在各种基材上；通过控制墨水的黏度，胶体颗粒微观排列方式也可以得到调控，从而控制胶体结构色的虹彩特性。
这种打印的结构色图案还具有很强的机械稳定性，能够进行表面转移、折纸折叠或弹性拉伸，为胶体光子晶体结构色的应用提供了保障。
高亮度、高饱和度和高机械性能的胶体结构色打印
光学介质材料的高分辨结构色打印
通过控制物质材料的纳米结构，无墨式结构色打印可以实现分辨率高达127000dpi的彩色打印，在防伪加密、数据存储、高密度显示等领域都有潜在的应用。
近年来，研究人员广泛研究了基于金属和高折射率介质微纳结构的高分辨结构色打印。
为了提升硅基结构色的性能，肖淑敏团队提出了一种使用折射率匹配层来抑制基底的反射、缩小硅超表面反射光谱半峰宽的方法，可以大幅提升硅超表面结构色的饱和度和鲜艳程度，促使其在空间分辨率、可制造性、反射率、半高宽和CIE色域面积5个颜色关键性能参数上实现了突破。
2021年，史丽娜团队发展了一种在绝缘硅平台上构建反射型明场结构色的策略。
这种打印结构色的方法具有衍射极限的空间分辨率和高亮度的明场结构色，并且没有角度依赖性，同时与半导体加工集成工艺兼容，有望促进全硅结构色在纳米彩色印刷、微型显示器和微成像中的应用。
介质材料无墨高分辨结构色打印
Liu等还报告了一种使用飞秒激光脉冲打印高分辨可擦除重写结构色图案的方法。
这种方法的实现是基于三硫化锑（Sb2S3）的相变，当它的形态从晶态转变为非晶态时，光学折射率可以呈现出很大的变化。
通过调控飞秒激光脉冲的平均激光功率，可以控制硫化物晶态结构的形成，而经过热退火处理，晶态结构又可以恢复到无定形状态，由于折射率发生了改变，干涉的颜色会随材料结构状态的改变而不断变化，进而实现结构色图像的反复擦除和循环打印。
这种高精度可重写的彩色打印方法在高分辨率彩色显示和光学加密领域具有潜在应用价值。
飞秒激光脉冲高分辨可擦除结构色打印
响应性材料的动态结构色打印
响应性材料是一类能够在光、电、磁、热等外界的刺激下发生结构变化的材料。
由于能够将外界微弱的刺激转化为可视化的光学信号，因此响应性材料的结构色打印在动态显示、光学防伪、信息加密及可视化传感等领域具有广泛的应用。
薄膜结构具有相对简易的制备工艺和高兼容的集成特性，而基于不同材料的多层薄膜结构，由于薄膜之间的干涉，可以显示出丰富的颜色变化。
Yan等提出了一种可调控的动态薄膜结构，能够实现在电场调控下的可逆结构色打印。
基于这个动态薄膜的设计，研究人员利用原子力显微镜，以导电原子探针作为印刷图案的“笔”进行高精度结构色图案的打印。
通过导电原子探针的扫描，在一个薄膜样品上，可以写出高精度的彩色图案，为新型显示器件研究提供了新思路。
电控动态结构色打印
Zhang等开发了一种利用形状记忆聚合物打印动态结构色的方法。
他们研制了一种具有形状记忆效应的聚合物墨水，结合双光子聚合打印，实现了形状记忆聚合物300nm尺度的打印分辨率。
当在高温条件下对该结构施加压力时，光子结构会发生形变，颜色消失，实现“隐身”效果。在室温下释放压力时，形变结构无法恢复，“隐身效果”得以保持。直到重新对结构进行加热，光子结构得以恢复，颜色才能再现。
通过控制打印参数如激光功率、扫描速度及结构的高度，可实现不同的结构色以及结构色图案的编程控制。
形状记忆聚合物动态结构色打印
结论
结构色是替代传统染料化学色的重要选项，具有环境友好、色彩明丽、动态可调等诸多优点。
目前，结构色打印从基础研究到产业应用还面临成本高昂、制备复杂、机械稳定性不足以及颜色性能不佳等问题。
在环境保护日益受到重视的今天，更应加大研发力度，推动结构色研究和应用的发展。
论文全文发表于《科技导报》2022年第1期，原标题为《2021年结构色打印研究热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。
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