作者：自然杂志的凯瑟琳·布尔扎克
最高分辨率图像——约每英寸10万点——已经实现，并且是全彩色的，采用了一种印刷方法，该方法使用几十纳米高的微小柱状结构。今天在自然纳米技术杂志上描述的方法，可用于印刷微小的水印或秘密信息以用于安全目的，以及制作高密度数据存储光盘。
这些超高分辨率图像中的每个像素都由四个纳米级柱子组成，柱子顶部覆盖着银和金纳米盘。通过改变结构（纳米级）的直径和它们之间的间距，可以控制它们反射的光的颜色。新加坡科技研究局 (A*STAR) 的研究人员利用这种称为结构色的效应，开发出完整的调色板。作为原理验证，他们打印了一个 50×50 微米的“莉娜”测试图像版本，这是一张色彩丰富的女性肖像，通常用作印刷标准。
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领导这项研究的 A*STAR 材料科学家乔尔·杨在用光学显微镜观察金属纳米颗粒时，首次注意到这种效应。“我们看到，通过控制颗粒的大小，我们可以控制颜色，从红色到蓝色，”他说。根据其大小，金属纳米结构会与特定波长的光产生共振——就像吉他弦根据其长度在特定频率下共振一样。正确波长的光会导致金属纳米结构表面的电子共振，这决定了结构反射的颜色。这种效应称为等离子体共振，物理学家对此非常了解。密歇根大学安阿伯分校的工程师郭杰（Jay Guo）说，杨是第一个想出利用它来印刷高分辨率、全彩色图像的方法的人，他没有参与这项工作。
不可磨灭的墨水
为了初步演示莉娜图像，研究人员首先使用电子束光刻技术在硅晶圆上图案化由绝缘材料制成的柱状阵列。然后，他们在柱子上沉积金属纳米盘，并在晶圆表面涂上金属。晶圆上的金属涂层反射来自柱子的彩色光，使图像明亮。“当我们应用金属后，颜色立即出现，”杨说。
杨的结构色图像的分辨率约为每英寸 10 万点。相比之下，喷墨打印机和激光打印机产生的墨点尺寸为微米级，其分辨率最高约为每英寸 1 万点。西北大学位于伊利诺伊州埃文斯顿的化学家特里·奥多姆说，如果杨的图像是在足够大的区域上制作的，可以用肉眼看到，“它们看起来会比高清更高清”。但她指出，视力完美的人也无法辨别小于 20-30 微米的物体。
即使在最好的显微镜下，光学图像也具有最终分辨率限制，而这种方法达到了这个极限。当两个物体靠得太近时，从它们反射的光会发生衍射，两个物体会模糊在一起。当两个物体之间的距离等于用于成像的光波长的一半时，就会出现这种称为衍射极限的效应。光谱中间的波长约为 500 纳米。这意味着印刷图像中的像素之间的间距不能小于约 250 纳米，否则看起来会模糊。杨的图像将像素紧密地排列在这个距离。
除了分辨率之外，结构颜色的另一个优点是图像稳定性。用于制作这些图像的金属和绝缘材料经久耐用。“它们不会像有机染料和着色剂那样随着时间的推移而褪色，”郭说。
杨说，他现在正在研究一种冲压方法，以便更容易地在大面积和不同材料上印刷柱状结构。用于初步演示的电子束雕刻方法速度太慢，无法在大面积上使用。
研究人员已为这种印刷方法申请了专利，并希望将微图像商业化，用作纳米级水印或用于密码学。将彩色点非常紧密地印刷在一起的方法也可用于将超密集光学数据编码到类似于 DVD 的光盘中。由于这些图像无法重写，因此它们最适合用于存储档案信息。