作者：自然雜誌的凱瑟琳·布林扎克
最高解析度影像——約每英寸10萬點——已經實現，並且是全綵色的，採用了一種印刷方法，該方法使用幾十奈米高的微小柱狀結構。今天在自然奈米技術雜誌上描述的方法，可用於印刷微小的水印或秘密資訊以用於安全目的，以及製作高密度資料儲存光碟。
這些超高解析度影像中的每個畫素都由四個奈米級柱子組成，柱子頂部覆蓋著銀和金奈米盤。透過改變結構（奈米級）的直徑和它們之間的間距，可以控制它們反射的光的顏色。新加坡科技研究局 (A*STAR) 的研究人員利用這種稱為結構色的效應，開發出完整的調色盤。作為原理驗證，他們列印了一個 50×50 微米的“莉娜”測試影像版本，這是一張色彩豐富的女性肖像，通常用作印刷標準。
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領導這項研究的 A*STAR 材料科學家喬爾·楊在用光學顯微鏡觀察金屬奈米顆粒時，首次注意到這種效應。“我們看到，透過控制顆粒的大小，我們可以控制顏色，從紅色到藍色，”他說。根據其大小，金屬奈米結構會與特定波長的光產生共振——就像吉他弦根據其長度在特定頻率下共振一樣。正確波長的光會導致金屬奈米結構表面的電子共振，這決定了結構反射的顏色。這種效應稱為等離子體共振，物理學家對此非常瞭解。密歇根大學安阿伯分校的工程師郭傑（Jay Guo）說，楊是第一個想出利用它來印刷高解析度、全綵色影像的方法的人，他沒有參與這項工作。
不可磨滅的墨水
為了初步演示莉娜影像，研究人員首先使用電子束光刻技術在矽晶圓上圖案化由絕緣材料製成的柱狀陣列。然後，他們在柱子上沉積金屬奈米盤，並在晶圓表面塗上金屬。晶圓上的金屬塗層反射來自柱子的彩色光，使影像明亮。“當我們應用金屬後，顏色立即出現，”楊說。
楊的結構色影像的解析度約為每英寸 10 萬點。相比之下，噴墨印表機和雷射印表機產生的墨點尺寸為微米級，其解析度最高約為每英寸 1 萬點。西北大學位於伊利諾伊州埃文斯頓的化學家特里·奧多姆說，如果楊的影像是在足夠大的區域上製作的，可以用肉眼看到，“它們看起來會比高畫質更高畫質”。但她指出，視力完美的人也無法辨別小於 20-30 微米的物體。
即使在最好的顯微鏡下，光學影像也具有最終解析度限制，而這種方法達到了這個極限。當兩個物體靠得太近時，從它們反射的光會發生衍射，兩個物體會模糊在一起。當兩個物體之間的距離等於用於成像的光波長的一半時，就會出現這種稱為衍射極限的效應。光譜中間的波長約為 500 奈米。這意味著印刷影像中的畫素之間的間距不能小於約 250 奈米，否則看起來會模糊。楊的影像將畫素緊密地排列在這個距離。
除了解析度之外，結構顏色的另一個優點是影像穩定性。用於製作這些影像的金屬和絕緣材料經久耐用。“它們不會像有機染料和著色劑那樣隨著時間的推移而褪色，”郭說。
楊說，他現在正在研究一種衝壓方法，以便更容易地在大面積和不同材料上印刷柱狀結構。用於初步演示的電子束雕刻方法速度太慢，無法在大面積上使用。
研究人員已為這種印刷方法申請了專利，並希望將微影像商業化，用作奈米級水印或用於密碼學。將彩色點非常緊密地印刷在一起的方法也可用於將超密集光學資料編碼到類似於 DVD 的光碟中。由於這些影像無法重寫，因此它們最適合用於儲存檔案資訊。