原文作者：Seung Hwan Ko
聚合物在應力作用下形成微孔和原纖維的過程被稱為銀紋化，銀紋化通常預示著材料破壞。現在，一種控制銀紋化的方法可被用來為聚合物薄膜上色。
當我們彎折或拉伸典型的透明玻璃態聚合物時，在材料產生裂縫或斷裂前通常會局部變白。這種不可測的現象被稱作銀紋化，通常被認為是該竭力避免的。但在《自然》發表的一篇文章中，Ito等人發現銀紋化完全可以得到控制，甚至還能用來給透明聚合物上色（Ito, M. M. et al. Nature 570, 363–367 (2019).）。受到控制的銀紋化可以用于為各種柔性和透明聚合物材料進行無墨、高分辨率的彩色印刷。
通常來說，給透明聚合物上色需要將材料與色素混合，或者在聚合物表面印刷含有色素的油墨。此外，透明聚合物還能通過在內部產生微觀結構的方式來著色，這種現象稱為結構生色。自然界中隨處可見結構色，蝴蝶翅膀就是其中一例。Ito和同事成功在銀紋化的基礎上實現了結構色。
聚合物上的銀紋圖案一般垂直于應力方向，由互相穿透的微米級孔洞組成，這些孔洞之間由高取向的聚合物微纖連接。如果銀紋不受控制，這些微孔和微纖就會形成不同的大小，從而對應不同的光波波長，這也解釋了為何銀紋看上去通常是白色的。Ito和同事證明，如果可以控制銀紋化，形成相互交替的多孔層和致密無孔層，就能加強不同層的反射光干涉，從而產生特定的顏色。
團隊利用一種能控制聚合物應力場的現象（聚合物用內部的應力分布平衡外力），成功控制了銀紋的產生。當光敏聚合物薄膜中形成“駐波”光圖案時，部分層中的聚合物分子之間會有選擇地形成交聯，并被沒有形成交聯的層隔開（圖1），這個過程會在非交聯層中形成拉應力。
作者隨后將這類層狀薄膜置于溶劑中，通過在非交聯層中形成銀紋，釋放形成的應力。因此，最終得到的薄膜包含交替的致密層和多孔層，讓材料的折射率產生周期性變化。照射在薄膜上的光在依次排列的銀紋層上反射，產生干涉效應，最終實現結構生色。
圖1|聚合物無墨彩色印刷原理。a）Ito等人通過將駐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圖像。駐波光生成相互交替的交聯聚合物和非交聯聚合物，導致非交聯層中產生應力。b）浸于溶劑后，非交聯層會出現銀紋現象——形成微觀孔隙和原纖維，從而釋放應力。這個過程會產生交替的致密聚合物層和多孔聚合物層，讓薄膜的折射率產生周期性變化。因此，當白光照射到薄膜的聚合物層時，其反射光會形成特定顏色。理論上，這種方法可以生成所有顏色。
Ito等人開展了一系列實驗，研究各種透明聚合物薄膜的周期性銀紋形成的物理機理和最佳條件。銀紋中的微孔實際上就是微小的裂紋，而論文的作者認為必須控制這種裂紋的生成，才能控制整個銀紋化過程。毫無疑問，作者的方法是真正意義上的成功——要知道，裂紋在非晶態材料（如聚合物薄膜）中的形成比晶態材料要復雜得多，也更難控制，因為非晶態材料的微觀結構更加隨機。
雖然團隊最后只生成了少數幾種顏色，但理論上，通過微調交替層間距就能產生各種顏色。不同的間距反過來也能由以下幾個因素控制：用于分層的光波波長以及輻照薄膜的時間；聚合物的類型和分子量；膜的初始厚度；用于產生銀紋的溶劑類型和溫度；以及膜浸在溶劑中的時間。
Ito等人利用有組織應力微纖維化方法（organized stress microfibrillation method）實現無墨彩色印刷，上圖所示是研究人員打印的幾個樣例，比例尺分別是：a, 1 cm; b和 c, 3 cm; g 和 h, 50 μm(inset 200 μm); j和k, 200 μm; l, 50 μm。圖片來源：Ito, M. M. et al. Nature 570, 363–367(2019).
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-018-03446-4
雖然這不是第一個在多層透明薄膜中觀察到結構色的團隊，但這一領域的大多數研究都涉及既復雜又昂貴的方法，比如在真空中的襯底上交替薄膜層（Kolle, M. et al. Nature Nanotechnol. 5, 511–515 (2010).）。也就是說，Ito和同事利用了一種曾被認為無用的現象，開發出了一種簡單、廉價的方法。事實上，以前對銀紋的研究主要集中在尋找抑制或預防銀紋的方法，而不是如何控制它。
作者證明，銀紋控制可以用于實現超高分辨率的無墨彩色印刷（每英寸點數最高14000）；而傳統的彩色印刷（如噴墨印刷）一般只能達到每英寸600-1200點——受限于可生成的墨滴大小和油墨鋪展效應。這項技術的另一個優點是，印刷時間不再過度依賴于襯底的尺寸，因為它采取平行處理的方式，即整個圖案同時印刷到聚合物薄膜上；而傳統的噴墨印刷是一個連續寫入過程，打印面積越大，耗時也越長。
這項研究的意義并不僅限于透明聚合物材料的上色，它還將增進我們對銀紋現象的全面理解。例如，Ito等人描述的銀紋化發生在面外方向（層沿著薄膜厚度的方向上堆積），而非一般情況下受應力作用聚合物薄膜的面內。這個有趣現象或值得進一步研究。此外，銀紋控制的力學和電學性能也很有探索空間。
作者的方法出奇地簡單，可以輕易用于現有的聚合物著色技術。然而，和任何新技術一樣，它還有幾個障礙需要克服。作者的方法在很大程度上局限于特定的操作條件和材料組合，對其他材料的適用性也有待挖掘。深入研究這項技術背后的物理機制，或能發現如何將該方法應用于所有的聚合物材料。與此同時，除了透明聚合物的無墨彩印之外，銀紋控制技術或能在電子設備和傳感器上得到更加激動人心的應用。
原文以Crazy colour printing without ink為標題發布在2019年6月19日《自然》新聞與觀點上。
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