利用等離子體將鉛筆芯重新用作光學(xué)材料

光學(xué)材料在許多現(xiàn)代應(yīng)用中都是必不可少的，但控制材料表面反射光的方式既昂貴又困難�，F(xiàn)在，在最近的一項研究中，來自日本的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種利用等離子體調(diào)整鉛筆芯樣品反射光譜的簡單而低成本的方法。他們的技術(shù)能夠生產(chǎn)出具有各種結(jié)構(gòu)顏色的鉛筆芯，甚至可以打印出只有使用紅外攝像機才能看到的隱形字符。

通過以可預(yù)測的方式與光相互作用，光學(xué)材料為各種現(xiàn)代技術(shù)鋪平了道路，從工業(yè)傳感、有機發(fā)光二極管（OLED）顯示器、電信甚至到癌癥治療。在許多應(yīng)用中，控制這些材料吸收和反射光的頻率至關(guān)重要。

然而，光學(xué)材料的一個緊迫問題是成本相對較高。為確保其正常工作，光學(xué)材料通常需要復(fù)雜的制造步驟和嚴格的質(zhì)量控制流程。

此外，研究和開發(fā)工作也往往耗資巨大，尤其是對于那些較為小眾的應(yīng)用領(lǐng)域。除此之外，目前光學(xué)材料對稀土元素等稀缺物質(zhì)的過度依賴，意味著其生產(chǎn)從長遠來看是不可持續(xù)的。

為此，信州大學(xué)紡織科學(xué)與技術(shù)學(xué)院應(yīng)用生物系的Hiroshi Moriwaki教授和紡織科學(xué)與技術(shù)學(xué)院高級紡織與關(guān)西工程系的Shouhei Koyama副教授一直在努力尋找突破口。在過去幾年里，他們的研究小組一直在研究鉛筆芯作為光學(xué)材料的潛在用途，鉛筆芯是最簡單、最廣泛使用的材料之一。

在他們發(fā)表在《光學(xué)材料》（Optical Materials）上的最新研究中，他們報告了一項可能徹底改變這一領(lǐng)域的最新突破。

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但是，如何將鉛筆芯轉(zhuǎn)化為有用的光學(xué)材料呢？答案歸結(jié)為一個詞：等離子體，一種帶電的氣態(tài)。

Moriwaki教授解釋說：“我們以前曾報道過，通過用等離子體照射鉛筆芯，可以控制可見光范圍內(nèi)的光反射，并創(chuàng)造出各種'結(jié)構(gòu)色'。這些結(jié)構(gòu)色的形成是由于鉛筆芯的兩種主要成分--粘土和石墨之間的薄層干涉現(xiàn)象。在所提出的方法中，通過等離子體蝕刻去除鉛筆芯表面的石墨，暴露出底層的粘土，而粘土起到了薄層的作用。”

在上述研究成果的基礎(chǔ)上，研究人員研究了更長時間的等離子輻照對鉛的影響。為此，他們制備了鉛筆鉛樣品，并將其放入等離子體室中進行不同時間的輻照，輻照時間從十幾秒到三分鐘不等。之后，他們測量了樣品反射光譜的變化，即每個經(jīng)過處理的樣品反射入射光的強度取決于其頻率。

研究人員發(fā)現(xiàn)，長時間用等離子體輻照鉛筆芯會產(chǎn)生一種新型光學(xué)材料，這種材料在近紅外和中紅外范圍內(nèi)會產(chǎn)生干擾，而這兩個范圍低于可見光的波長區(qū)域。這是由于等離子體蝕刻暴露出的粘土層厚度較大。

為了展示其技術(shù)的顯著應(yīng)用，研究小組在鉛筆芯板表面蝕刻了字母和數(shù)字，只有在使用紅外攝像機時才能看到這些符號。

總之，這項研究為以更低的價格生產(chǎn)光學(xué)材料提供了一種令人興奮的新方法。Moriwaki教授說："這項研究的目的是建立一種利用鉛筆芯等舊材料并將其轉(zhuǎn)化為新型光學(xué)材料的方法。我們的方法只使用鉛筆芯作為起始材料，非常環(huán)保。如果能將這種策略應(yīng)用到打印機上，開發(fā)出全新的可持續(xù)打印技術(shù)，那將是一件非常棒的事情�！�

研究人員希望這些努力能帶來更經(jīng)濟實惠的光學(xué)材料，甚至是新的打印方式。

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論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115777