五彩斑斓的黑，浮翠流丹的白，如果老板这样蛮不讲理的要求让你感到焦头烂额，或许中科院化学所的科学家能帮你一把。对他们而言，这样的要求不过小菜一碟，只用一种透明墨水就能实现。他们用的打印设备和家用喷墨打印机并无本质上的区别，但在显色的物理原理上，比起打印，他们更像是在封装彩虹。
撰文|王昱
审校|李凯旋（论文第一作者）
我们的生活不能失去色彩，显示屏主动发光显示色彩，纸张书籍等则通过被动反光产生颜色。对大部分通过被动方式显示颜色的物体而言，颜料决定了它们的色彩。颜料本身的分子对不同频率光的吸收率、反射率不同，也就造就了颜料本身的颜色。
特定颜色的颜料曾经非常难以获得，比如古罗马帝国很难获得紫色颜料，紫色甚至因此成了皇家专属的颜色。不过在有机合成成熟之后，我们可以细致的控制分子的形态，调控分子和光子的相互作用关系，进而制备特定颜色的颜料。如今，好像再也没有什么颜色是我们制造不出来的了。
除了你老板让你帮他画出来的五彩斑斓的黑。
如果你现在正因为这个要求而在心里默默说着老板的坏话，不妨看看中科院化学所绿色印刷重点实验室的最新成果。最近在《科学·前沿》发表的一篇论文中，他们公布了一种印刷方式，可以打印五彩斑斓的黑、浮翠流丹的白。最神奇的是，他们彩色打印只需要一种颜色的墨水，而这种墨水本身的则是无色透明的。
透明的色彩
这种打印方式本质上和家用的喷墨打印机是一致的，它们都会将一定数量的墨滴喷到待打印的表面上。一滴墨滴就像显示屏上的一颗像素，当大量墨滴排列起来时，我们就成功打印出了一幅图像。对于传统的喷墨打印，打印机通过控制CMYK（C，cyan，青色；M，magenta，洋红色；Y，yellow，黄色；K，key plate，实际多用黑色black）四色墨水的量来控制颜色，其实还是靠四色颜料调制出了各种色彩。但想用透明墨水打印出色彩，则在显色原理上有本质的不同。
首先，一般的纸面肯定是用不了这种打印方式的，打印表面必须是透明的。使用透明墨水打印，当墨滴被打印到表面时，其表面会因表面张力形成一个弧面。当白光从透明表面另一侧射过来时，光线会在墨滴内发生全内反射，而不同颜色，也就是不同频率的光线的全内反射路线又有所差别，所以在光线射出液滴表面时，不同颜色的光线就被分成不同角度发向不同的方向。而在一个特定的角度上看，这个墨滴也就具有了色彩。
如果想要控制墨滴的颜色，本质上我们需要调整的是墨滴内的光路，为此需要调整弧面的形状。墨滴与打印表面的接触角和墨滴大小两者共同决定了弧面的形状，前者是由材料性质决定的，根据研究，只有在接触角大于46°时才能发生全内反射产生色彩。对于同一种透明墨水，我们可以控制的是液滴大小。只要控制喷了多少滴墨水，我们就能控制墨滴大小，进而控制它的颜色了。
墨滴的打印方式和彩虹非常类似，彩虹也是通过水滴对阳光的全内反射产生的。与其说科学家用透明墨水在打印，不如说，在喷墨、定型的过程中，他们是将彩虹封装在透明墨水中，再排列出来组成图像。
五彩斑斓的黑
聪明的你可能已经发现了，用这种方法打印的墨滴并非只呈现一种颜色。墨滴既然能将不同颜色的光线分向不同的方向，那从不同方向看墨滴的颜色就一定是不同的。也正因此，研究人员在研究如何用透明墨水打印的同时，碰巧解决了五彩斑斓的黑这一“世纪难题”。实际上，这种方法打印出的任何一种色彩，在不同方向上看都会存在细微的差别。
有一个术语专门描述这种现象：虹彩，它还标志着这种打印方式和传统化学色本质上的不同——透明墨水呈现的是一种结构色。化学色利用了颜料本身反射、吸收不同颜色光的性质，而结构色则是通过物体微米、纳米级的结构，让光线反射、折射、衍射、干涉，进而形成特定的色彩。
结构色在生活中其实很常见，雨后地面上色彩变幻的油污，流光溢彩的气泡，甚至一些牛肉表面浮现的绿色，都是结构色的结果。结构色对物质结构非常敏感，仪器制造时，结构色还能用来检验平整度，精度轻易就能达到可见光波长以下——也就是几百纳米的级别。你现在就能找到结构色，摘下你的眼镜（虽然我们大部分读者都带眼镜并不是什么令人高兴的事情），用它通过反射观察一些光源，你会发现反射的图案带有特定颜色，这就是镜面镀膜的效果。镀膜之后可见光能更容易地透过镜片，不过同时，眼镜反光也会带上特定的颜色。
但五彩斑斓的黑并不是科学家想要实现的目标，实际上，虹彩是他们想极力避免的东西。毕竟，如果一个图片在你看来是红色，在你旁边的朋友看来却是黄色，想必会造成不少误会。五彩斑斓的黑，看上去是个feature，实际却是个bug。不过，如果你就是看中了这个bug产生的feature，那结构色也能满足你。实际上，不少包装瓶、包装盒上流光溢彩的效果，都是通过结构色的原理产生的。而对于用透明墨水打印的科学家而言，他们正在努力避免这个结果。
不褪色的封装彩虹
现代有机合成让我们精细控制分子结构实现不同的化学色，但有机分子有一个致命的缺点：容易被氧化。有机分子结构被破坏后，自然不能保持原有的色彩，用有机颜料打印的照片自然也就褪色了。而当透明墨水被打印到表面上时，它只依靠液滴形成的弧面产生颜色，而墨滴被打印定型后，它呈现的颜色就不会再改变了。
传统颜料生产涉及重金属，是重污染行业，而透明聚合物种类繁多，其中不少我们已经有办法用较为环保的方式生产。自然界的彩虹能让人感到身心愉悦，人造的“封装彩虹”也不会给自然环境造成负担。
如果你担心透明材料让你打印的内容更容易被人“偷窥”，这种“封装彩虹”还自带防窥功能。因为只有当光线从没有墨滴的那一面入射时，才能形成全内反射的光路，在有墨滴的那一面观看时，打印内容完全是透明的，无法分辨。
只要是透明表面，都能用上这种打印方式。只要材料纯度足够，不影响墨滴弧面的形状，不论是硬质材料还是柔性材料，都能用上这种打印方法。如果规模化应用这项技术，我们或许能在玻璃幕墙内侧打印墨滴，这样，建筑内能看到窗外的景色，窗外的人就能看到窗上打印的内容，又或者警告小鸟不要撞到窗户。
牛顿当初发现白光其实包含了多种颜色，牛顿还用三棱镜把不同颜色的光分开。几百年后，科学家掌握了比三棱镜复杂得多的技术，也正是由此，我们终于有办法把远在天边的彩虹封装起来，捧在手心。
感谢中科院化学所绿色印刷重点实验室宋延林老师，李凯旋同学对本文的帮助！
参考链接：
https：//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1992
https：//ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/12/shimmering-chocolate.html
本文转自《环球科学》
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