利用等離子體將鉛筆芯重新用作光學材料

光學材料在許多現代應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。現在，在最近的一項研究中，來自日本的研究人員發(fā)現了一種利用等離子體調整鉛筆芯樣品反射光譜的簡單而低成本的方法。他們的技術能夠生產出具有各種結構顏色的鉛筆芯，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。

通過以可預測的方式與光相互作用，光學材料為各種現代技術鋪平了道路，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。在許多應用中，控制這些材料吸收和反射光的頻率至關重要。

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

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用領域。除此之外，目前光學材料對稀土元素等稀缺物質的過度依賴，意味著其生產從長遠來看是不可持續(xù)的。

為此，信州大學紡織科學與技術學院應用生物系的Hiroshi Moriwaki教授和紡織科學與技術學院高級紡織與關西工程系的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域的最新突破。

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但是，如何將鉛筆芯轉化為有用的光學材料呢？答案歸結為一個詞：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的光反射，并創(chuàng)造出各種'結構色'。這些結構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，長時間用等離子體輻照鉛筆芯會產生一種新型光學材料，這種材料在近紅外和中紅外范圍內會產生干擾，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。

為了展示其技術的顯著應用，研究小組在鉛筆芯板表面蝕刻了字母和數字，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光學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化為新型光學材料的方法。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用到打印機上，開發(fā)出全新的可持續(xù)打印技術，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濟實惠的光學材料，甚至是新的打印方式。

相關鏈接：https://phys.org/news/2024-08-repurposing-pencil-optical-material-plasma.html

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