利用等离子体将铅笔芯重新用作光学材料

光学材料在许多现代应用中都是必不可少的，但控制材料表面反射光的方式既昂贵又困难。现在，在最近的一项研究中，来自日本的研究人员发现了一种利用等离子体调整铅笔芯样品反射光谱的简单而低成本的方法。他们的技术能够生产出具有各种结构颜色的铅笔芯，甚至可以打印出只有使用红外摄像机才能看到的隐形字符。

通过以可预测的方式与光相互作用，光学材料为各种现代技术铺平了道路，从工业传感、有机发光二极管（OLED）显示器、电信甚至到癌症治疗。在许多应用中，控制这些材料吸收和反射光的频率至关重要。

然而，光学材料的一个紧迫问题是成本相对较高。为确保其正常工作，光学材料通常需要复杂的制造步骤和严格的质量控制流程。

此外，研究和开发工作也往往耗资巨大，尤其是对于那些较为小众的应用领域。除此之外，目前光学材料对稀土元素等稀缺物质的过度依赖，意味着其生产从长远来看是不可持续的。

为此，信州大学纺织科学与技术学院应用生物系的Hiroshi Moriwaki教授和纺织科学与技术学院高级纺织与关西工程系的Shouhei Koyama副教授一直在努力寻找突破口。在过去几年里，他们的研究小组一直在研究铅笔芯作为光学材料的潜在用途，铅笔芯是最简单、最广泛使用的材料之一。

在他们发表在《光学材料》（Optical Materials）上的最新研究中，他们报告了一项可能彻底改变这一领域的最新突破。

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但是，如何将铅笔芯转化为有用的光学材料呢？答案归结为一个词：等离子体，一种带电的气态。

Moriwaki教授解释说：“我们以前曾报道过，通过用等离子体照射铅笔芯，可以控制可见光范围内的光反射，并创造出各种'结构色'。这些结构色的形成是由于铅笔芯的两种主要成分--粘土和石墨之间的薄层干涉现象。在所提出的方法中，通过等离子体蚀刻去除铅笔芯表面的石墨，暴露出底层的粘土，而粘土起到了薄层的作用。”

在上述研究成果的基础上，研究人员研究了更长时间的等离子辐照对铅的影响。为此，他们制备了铅笔铅样品，并将其放入等离子体室中进行不同时间的辐照，辐照时间从十几秒到三分钟不等。之后，他们测量了样品反射光谱的变化，即每个经过处理的样品反射入射光的强度取决于其频率。

研究人员发现，长时间用等离子体辐照铅笔芯会产生一种新型光学材料，这种材料在近红外和中红外范围内会产生干扰，而这两个范围低于可见光的波长区域。这是由于等离子体蚀刻暴露出的粘土层厚度较大。

为了展示其技术的显著应用，研究小组在铅笔芯板表面蚀刻了字母和数字，只有在使用红外摄像机时才能看到这些符号。

总之，这项研究为以更低的价格生产光学材料提供了一种令人兴奋的新方法。Moriwaki教授说："这项研究的目的是建立一种利用铅笔芯等旧材料并将其转化为新型光学材料的方法。我们的方法只使用铅笔芯作为起始材料，非常环保。如果能将这种策略应用到打印机上，开发出全新的可持续打印技术，那将是一件非常棒的事情。”

研究人员希望这些努力能带来更经济实惠的光学材料，甚至是新的打印方式。

相关链接：https://phys.org/news/2024-08-repurposing-pencil-optical-material-plasma.html

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115777