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摘要：利用纳米颗粒的散射与吸收特性，开发出一种采用具有高光稳定性、耐热性和化学稳定性的硅材料制成的结构色纳米颗粒墨水，完全不使用染料、颜料，并成功通过喷墨打印形成了多种彩色图像。

关键词：纳米颗粒、结构色、喷墨打印、反射/透射

要点

开发出一种采用具有高光稳定性、耐热性和化学稳定性的硅材料制成的结构色纳米颗粒墨水。
通过喷墨打印成功形成了多种彩色图像。
利用纳米颗粒的散射与吸收特性，实现了一种在反射与透射状态下呈现不同颜色的打印薄膜。

概要

研究小组开发出一种完全不使用染料、颜料即可显色的“结构色纳米颗粒墨水”，并成功通过喷墨打印形成了多种彩色图像。传统的打印技术依靠染料或颜料吸收特定波长的光来呈现颜色，但这类材料存在容易因紫外线、高温、化学反应等因素而降解和褪色的问题。

本研究着眼于由热稳定与化学稳定的硅制成的纳米颗粒的特性：可根据粒径大小对特定波长的光产生强烈散射。研究小组通过将粒径可控的硅纳米颗粒分散在透明树脂中，开发了一种水性彩色墨水。研究小组用这种墨水进行了喷墨打印，不仅成功形成了彩色图像，还证实了不仅是平面基板，还可直接对三维物体着色。此外，利用颗粒对光散射的透射和反射方向存在不对称性，研究小组还成功开发出一种特殊的打印薄膜，其在反射时和透射时会呈现不同的颜色。

本技术有望成为一种基础技术，将不依赖于染料或颜料的新型着色原理拓展至实用化打印工艺。

使用结构色纳米颗粒墨水喷墨打印的孔雀图像。©Advanced Materials(2026)(DOI:10.1002/adma.202523036)(CC BY)

研究背景

大多数打印品和涂料都是依靠染料或颜料吸收光来呈现颜色，但这类材料会因化学降解、紫外线照射造成的分解等，在长期使用中不可避免地出现褪色与变色的问题。与之相比，自然界中蝴蝶翅膀、鸟类羽毛、吉丁虫鞘翅等所代表的结构色，其利用微细纳米结构对光的散射与干涉实现显色，无需使用任何染料。近年来，利用多层膜结构或光波长级别的周期性微细结构来实现人工结构色的着色技术在不断发展。但这类显色方式基于周期结构，因此具有强烈的角度依赖性，存在像吉丁虫鞘翅那样，观察角度不同色调就会发生变化的问题。此外，形成这类结构色需要多层膜的形成或纳米颗粒自组装等特殊工艺，难以与喷墨打印等通用打印技术结合，以绘制任意图案，也难以直接应用于大面积或三维物体。

研究内容

本研究聚焦于具有高折射率的硅纳米颗粒。粒径约为100～200nm的硅纳米颗粒在可见光区域表现出一种名为“米氏共振”的光学共振现象，并且具有根据粒子尺寸强烈散射特定波长光的特性。利用这一特性，可以实现结构色，这种结构色根据粒子自身的结构产生颜色，而无需像染料那样吸收光。此外，与基于周期性排列结构的传统结构色不同，每个硅纳米颗粒都通过光共振显色，因此角度依赖性小，即使在随机分散状态下也能显色。

研究小组将所开发的粒径精确可控的硅纳米颗粒胶体溶液（图1(a)）与透明水性丙烯酸树脂混合，开发出一种结构色纳米颗粒墨水。为了确保即使在打印后树脂膜内纳米颗粒彼此靠近的情况下，颗粒特有的散射特性也能得以保持，研究小组使用了核壳颗粒，其中硅核被透明的二氧化硅（SiO₂）壳包裹（图1(b)）。利用这种墨水，研究人员进行了喷墨打印（图1(c)），绘制出了由包含结构色纳米颗粒的树脂膜构成的图案。

图1 (a)硅纳米颗粒胶体溶液的照片。可以看出，颜色随颗粒尺寸而变化；(b)硅纳米颗粒的透射电镜图像。用透明二氧化硅覆盖硅颗粒（如箭头所示），以避免硅颗粒之间直接接触；(c)喷墨打印示意图。打印的硅纳米颗粒随机嵌入树脂中。

首先，为了阐明所打印的硅纳米颗粒涂层等的显色特性，研究小组基于自主研发的蒙特卡罗方法进行了光子追踪模拟。假设在透明树脂中随机分散有硅纳米粒子的模型，通过概率计算入射光子的传播路径，研究小组统计评估了纳米颗粒涂层中光的散射和吸收过程（图2(a)）。光子会因与颗粒相互作用而发生散射，部分反射或透射穿过薄膜，还有一些会被吸收。特别是当纳米颗粒浓度较高时，光子多次散射的多重散射的影响十分显著，因此研究小组也将该影响纳入考量。此外，由于米氏共振，单个硅纳米颗粒根据波长的不同表现出不同的前向散射和后向散射特性，导致薄膜在反射光和透射光之间的光谱特性发生显著变化。如图2(b)(c)所示，改变粒径和浓度的模拟结果表明，在反射方向（图2(b)）上可通过组成参数，在很宽的范围内控制颜色；而透射方向（图2(c)）则呈现出与反射截然不同的颜色。

图2 (a)光子追踪模拟示意图；(b)在反射方向上所获得的颜色以及(c)在透射方向上所获得的颜色。

基于模拟结果，研究小组使用实际的纳米颗粒墨水，通过改变硅纳米颗粒的直径和浓度，用喷墨设备绘制了孔雀图案（图3(a)）。孔雀图案细节清晰可见，呈现出多种颜色。同时，正如模拟预测的那样，研究小组证实了打印薄膜具有独特的光学特性，在反射方向和透射方向观察时呈现出不同的颜色。此外，通过组合不同粒径的墨水，可以实现多色打印（图3(b)）。

由于这种材料通过反射显色，因此与吸收性颜料不同，可以赋予其高透光率。当将调整粒径和浓度后打印的彩色薄膜（图3(b)）置于智能手机上时，屏幕关闭时孔雀图案清晰可见（图3(c)），而屏幕开启时透射光占主导地位，图案几乎不可见（图3(d)）。利用这一特性，这种薄膜有望应用于信息显示设备和防伪领域，作为一种可根据显示状态控制可见性的光功能薄膜。

图3 (a)改变硅纳米颗粒直径和浓度喷墨打印的孔雀图像；(b)使用多种墨水彩色打印的孔雀图像；(c，d)将低纳米颗粒浓度打印的薄膜分别置于屏幕关闭的智能手机(c)和屏幕开启的智能手机(d)上的照片。

未来展望

本研究通过开发一种利用通过光学共振显色的纳米颗粒的水性墨水，实现了传统结构色技术难以完成的“喷墨打印”。由于每个纳米颗粒都通过光学共振显色，即使在打印后的涂层中也能实现不依赖角度的稳定显色。研究还证实，该方法不仅适用于平面基板，还可以直接在具有曲面的三维物体上进行打印，从而可以拓展至各种涂层和装饰领域。

本研究所开发的硅纳米颗粒墨水具有极高的光稳定性、耐热性和化学稳定性，除了稳定的结构色打印外，利用其特殊的反射/透射特性，还有望在智能窗户、防伪打印、信息显示设备等领域，作为一种新型光功能打印材料得到应用。

https://www.kobe-u.ac.jp/ja/news/article/20260406-67657/

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202523036

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一种采用结构色纳米颗粒墨水的喷墨打印技术，无需使用染料