我們的生活不能失去色彩，顯示屏主動發(fā)光顯示色彩，紙張書籍等則通過被動反光產(chǎn)生顏色。對大部分通過被動方式顯示顏色的物體而言，顏料決定了它們的色彩。顏料本身的分子對不同頻率光的吸收率、反射率不同，也就造就了顏料本身的顏色。

特定顏色的顏料曾經(jīng)非常難以獲得，比如古羅馬帝國很難獲得紫色顏料，紫色甚至因此成了皇家專屬的顏色。不過在有機合成成熟之后，我們可以細致的控制分子的形態(tài)，調(diào)控分子和光子的相互作用關系，進而制備特定顏色的顏料。如今，好像再也沒有什么顏色是我們制造不出來的了。

除了你老板讓你幫他畫出來的五彩斑斕的黑。

如果你現(xiàn)在正因為這個要求而在心里默默說著老板的壞話，不妨看看中科院化學所綠色印刷重點實驗室的最新成果。最近在《科學·前沿》發(fā)表的一篇論文中，他們公布了一種印刷方式，可以打印五彩斑斕的黑、浮翠流丹的白。最神奇的是，他們彩色打印只需要一種顏色的墨水，而這種墨水本身的則是無色透明的。

這種打印方式本質(zhì)上和家用的噴墨打印機是一致的，它們都會將一定數(shù)量的墨滴噴到待打印的表面上。一滴墨滴就像顯示屏上的一顆像素，當大量墨滴排列起來時，我們就成功打印出了一幅圖像。對于傳統(tǒng)的噴墨打印，打印機通過控制CMYK（C，cyan，青色；M，magenta，洋紅色；Y，yellow，黃色；K，key plate，實際多用黑色black）四色墨水的量來控制顏色，其實還是靠四色顏料調(diào)制出了各種色彩。但想用透明墨水打印出色彩，則在顯色原理上有本質(zhì)的不同。

墨滴被打印到表面上后會形成特定的弧面（圖片來源：原論文）

首先，一般的紙面肯定是用不了這種打印方式的，打印表面必須是透明的。使用透明墨水打印，當墨滴被打印到表面時，其表面會因表面張力形成一個弧面。當白光從透明表面另一側(cè)射過來時，光線會在墨滴內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而不同顏色，也就是不同頻率的光線的全內(nèi)反射路線又有所差別，所以在光線射出液滴表面時，不同顏色的光線就被分成不同角度發(fā)向不同的方向。而在一個特定的角度上看，這個墨滴也就具有了色彩。

墨滴內(nèi)部的光路示意圖（圖片來源：原論文）

如果想要控制墨滴的顏色，本質(zhì)上我們需要調(diào)整的是墨滴內(nèi)的光路，為此需要調(diào)整弧面的形狀。墨滴與打印表面的接觸角和墨滴大小兩者共同決定了弧面的形狀，前者是由材料性質(zhì)決定的，根據(jù)研究，只有在接觸角大于46°時才能發(fā)生全內(nèi)反射產(chǎn)生色彩。對于同一種透明墨水，我們可以控制的是液滴大小。只要控制噴了多少滴墨水，我們就能控制墨滴大小，進而控制它的顏色了。

控制墨滴的大小就能控制墨滴的顏色（圖片來源：原論文）

墨滴的打印方式和彩虹非常類似，彩虹也是通過水滴對陽光的全內(nèi)反射產(chǎn)生的。與其說科學家用透明墨水在打印，不如說，在噴墨、定型的過程中，他們是將彩虹封裝在一滴滴透明墨水中，再排列出來組成圖像。

實驗打印圖像（圖片來源：原論文）

聰明的你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，用這種方法打印的墨滴并非只呈現(xiàn)一種顏色。墨滴既然能將不同顏色的光線分向不同的方向，那從不同方向看墨滴的顏色就一定是不同的。也正因此，研究人員在研究如何用透明墨水打印的同時，碰巧解決了五彩斑斕的黑這一“世紀難題”。實際上，這種方法打印出的任何一種色彩，在不同方向上看都會存在細微的差別。

有一個術語專門描述這種現(xiàn)象：虹彩，它還標志著這種打印方式和傳統(tǒng)化學色本質(zhì)上的不同——透明墨水呈現(xiàn)的是一種結(jié)構(gòu)色?；瘜W色利用了顏料本身反射、吸收不同顏色光的性質(zhì)，而結(jié)構(gòu)色則是通過物體微米、納米級的結(jié)構(gòu)，讓光線反射、折射、衍射、干涉，進而形成特定的色彩。

結(jié)構(gòu)色在生活中其實很常見，雨后地面上色彩變幻的油污，流光溢彩的氣泡，甚至一些牛肉表面浮現(xiàn)的綠色，都是結(jié)構(gòu)色的結(jié)果。結(jié)構(gòu)色對物質(zhì)結(jié)構(gòu)非常敏感，儀器制造時，結(jié)構(gòu)色還能用來檢驗平整度，精度輕易就能達到可見光波長以下——也就是幾百納米的級別。你現(xiàn)在就能找到結(jié)構(gòu)色，摘下你的眼鏡（雖然我們大部分讀者都帶眼鏡并不是什么令人高興的事情），用它通過反射觀察一些光源，你會發(fā)現(xiàn)反射的圖案帶有特定顏色，這就是鏡面鍍膜的效果。鍍膜之后可見光能更容易地透過鏡片，不過同時，眼鏡反光也會帶上特定的顏色。

甚至還有人在巧克力上做出了結(jié)構(gòu)色（圖片來源：ETH Zurich/Giulia Marthaler）

但五彩斑斕的黑并不是科學家想要實現(xiàn)的目標，實際上，虹彩是他們想極力避免的東西。畢竟，如果一個圖片在你看來是紅色，在你旁邊的朋友看來卻是黃色，想必會造成不少誤會。五彩斑斕的黑，看上去是個feature，實際卻是個bug。不過，如果你就是看中了這個bug產(chǎn)生的feature，那結(jié)構(gòu)色也能滿足你。實際上，不少包裝瓶、包裝盒上流光溢彩的效果，都是通過結(jié)構(gòu)色的原理產(chǎn)生的。而對于用透明墨水打印的科學家而言，他們正在努力避免這個結(jié)果。

現(xiàn)代有機合成讓我們精細控制分子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不同的化學色，但有機分子有一個致命的缺點：容易被氧化。有機分子結(jié)構(gòu)被破壞后，自然不能保持原有的色彩，用有機顏料打印的照片自然也就褪色了。而當透明墨水被打印到表面上時，它只依靠液滴形成的弧面產(chǎn)生顏色，而墨滴被打印定型后，它呈現(xiàn)的顏色就不會再改變了。

傳統(tǒng)顏料生產(chǎn)涉及重金屬，是重污染行業(yè)，而透明聚合物種類繁多，其中不少我們已經(jīng)有辦法用較為環(huán)保的方式生產(chǎn)。自然界的彩虹能讓人感到身心愉悅，人造的“封裝彩虹”也不會給自然環(huán)境造成負擔。

如果你擔心透明材料讓你打印的內(nèi)容更容易被人“偷窺”，這種“封裝彩虹”還自帶防窺功能。因為只有當光線從沒有墨滴的那一面入射時，才能形成全內(nèi)反射的光路，在有墨滴的那一面觀看時，打印內(nèi)容完全是透明的，無法分辨。

打印出的色彩只能在墨滴所在面的反面才能看到（圖片來源：原論文）

只要是透明表面，都能用上這種打印方式。只要材料純度足夠，不影響墨滴弧面的形狀，不論是硬質(zhì)材料還是柔性材料，都能用上這種打印方法。如果規(guī)模化應用這項技術，我們或許能在玻璃幕墻內(nèi)側(cè)打印墨滴，這樣，建筑內(nèi)能看到窗外的景色，窗外的人就能看到窗上打印的內(nèi)容，又或者警告小鳥不要撞到窗戶。

牛頓當初發(fā)現(xiàn)白光其實包含了多種顏色，牛頓還用三棱鏡把不同顏色的光分開。幾百年后，科學家掌握了比三棱鏡復雜得多的技術，也正是由此，我們終于有辦法把遠在天邊的彩虹封裝起來，捧在手心。

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