以水为墨水书写的原理（上），及水书写后显示的蓝、绿、红三种颜色（下）

　　科学家近日研制出一种以水为彩色墨水的重复书写纸，这项创新源自于一场射獐得马的意外——

　　在现代化的办公室里，纸张消耗速度依然惊人：约40%经打印或复印的纸张在阅读一次后就被扔进废纸篓。如何让这些纸张可以重复利用？

　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）医工所微纳中心副研究员吴天准带领研究小组研制出一种以水为彩色墨水的重复书写纸，上述问题有望得到解决。

　　仿生蝴蝶

　　蝴蝶翅膀五彩缤纷，然而这美丽的翅膀颜色来源却与其他动物不同，它并不是蝴蝶身体上的细胞，而是来自鳞片的颜色。

　　鳞片不是细胞，是细胞的衍生物，由构成翅膜的细胞向外分泌伸展所得。通常鳞片呈扁平羽毛状，而在基部缩成针柄状穿入翅膜，鳞片轻轻地依附在翅膜上，容易脱落。

　　“将蝴蝶翅膀放置于显微镜下，我们会看到成千上万的鳞片，整整齐齐地密排在翅膜上，使整个翅膀呈现一定的色彩和颜色。”吴天准研究小组杜学敏博士告诉《中国科学报》记者。

　　一些鳞片内含无数彩色的色素，使得鳞片的颜色来源与日常所见的色彩相同。还有些蝴蝶翅膀鳞片因光源的种类、光向呈现闪光或者变色。“在显微镜下，我们看不到这些鳞片的颜色，因为鳞片本身是透明的。”杜学敏介绍道。

　　这些透明的鳞片表面有特殊的物理构造，通常有许多深沟，沟内有周期性的密排构造，使其在光照下能发生不同的折射、干涉和衍射，然后反射出部分特定频率的光线，而产生五彩缤纷的颜色。

　　蝴蝶透明的翅膀会因光线种类与方向的不同，随时产生不同深度甚至不同颜色。杜学敏指出，假如光线由翅膀的背面通过，即因无光线可反射，它的翅膀就会透明无色。

　　蝴蝶翅膀呈现的五彩缤纷色彩是一种特殊的物理结构效应产生的——光子晶体的布拉格衍射，这些结构是由周期性规整堆积的微纳结构形成，因而这种斑斓的颜色实际上是一种结构色，并且这种结构色会由于同期性的微纳结构间距或折射率的改变而呈现不同的颜色。

　　杜学敏表示，不同于染料、颜料，这种颜色的显示源于材料的物理结构特性，故更加鲜艳、稳定、持久且无毒，可重复书写的仿生纸就是基于这种原理。

　　射獐得马

　　“我们本来从事光子晶体的传感检测研究，去年在一次实验中，不小心将水泼到光子晶体材料上，出现了彩色痕迹，但在水分蒸发后，痕迹又随之消失。”杜学敏感叹这是一个射獐得马的意外收获。

　　随后，微纳中心团队利用人工合成的纳米微球组装成一层薄薄的光子晶体层，其中再填充一层对pH值有响应的高分子水凝胶，两者结合即实现了光子晶体纸的透明性和可重复书写特性。

　　这种书写过程利用方便易得的自来水或蒸馏水作为墨水，水写在光子晶体纸上时，光子晶体纸中的水凝胶遇水部分就会局部溶胀，从而改变组装光子晶体层中纳米微球的间距，同时结合光子晶体的一些光学特征，使得遇水部分产生颜色，而未书写部分仍为背景色。

　　杜学敏还表示，通过改变光子晶体层中纳米微球的尺寸，可以使得光子晶体纸随心所欲呈现出所需要的颜色。

　　与此同时，由于采用的光子晶体纸张中有对pH值响应的高分子水凝胶，因此采用不同的pH值溶液作为墨水即得到相应颜色。当水分挥发后，光子晶体纸又恢复到未书写时的样子。

　　创客前景

　　经过反复实验，杜学敏等人发现，这种书写过程简易方便，而作为光子晶体纸的基底也是可以广泛选择：既可以是坚硬的玻璃，也可以是柔软的塑料，制备方法简便，具有低成本、无毒和绿色环保等特点。

　　用水在不同光子晶体塑料纸张上书写深圳先进院英文缩写SIAT，记者看到了蓝色、绿色和红色的SIAT，擦拭干净之后，塑料纸张几乎看不出书写的痕迹。

　　杜学敏说：“一张A4纸的价格在6分钱左右，而我们的复写纸按此计算，成本更低。”在资源日趋紧张、环境日益恶化的将来，这种新型纸有望替代传统纸张，以满足日趋增长的需求。

　　此外，微纳中心研发的以水为彩色墨水的可重复书写纸技术还可以用作防伪标识：将光子晶体层通过书写或是印制备成特定图案，然后在该图案上覆盖一层高分子水凝胶，图案即可隐形为背景色；当用水或是饮料涂在表面时候，图案即可显现，而当水分挥发，图案又可隐形。

　　目前，通过微纳中心团队的反复实验，可重复书写技术已经趋于成熟，“该技术不仅符合我国绿色发展的目标，又符合可持续发展的长远规划。”杜学敏说，“我们将在今年4月进入深圳先进院的创客平台，希望通过市场进一步检验技术的实用性。”

　　（原载于《中国科学报》 2015-03-23 第6版 进展)