電子墨水是近年出現(xiàn)的較新的顯示技術，其顯示依賴自然光，具有和印刷書相似的效果。當前電子墨水技術在不少產品中已經有了嘗試，如手機，電子書和廣告牌等。當前商業(yè)化的電子墨水產品主要由聚合物微膠囊包裹色素顆粒（如炭黑或二氧化鈦等）構成，在定向電場作用下，色素顆粒在微囊內發(fā)生移動產生對比度從而實現(xiàn)字符和圖形的顯示。然而，相較其他顯示技術（> 1000 PPI），電子墨水產品的顯示精度（300 PPI）較低，無法實現(xiàn)高清顯示的需求。此外，傳統(tǒng)電子墨水的工藝往往需要引入大量的表面活性劑來保持顆粒/微囊的穩(wěn)定性，會引起制造成本和體系復雜度的增加。因此，電子墨水納米材料的革新仍然任重道遠。
最近，四川大學高分子科學與工程學院李乙文研究員與俄亥俄州立大學國家納米科學中心常凌乾博士（現(xiàn)任美國北德州大學工程學院助理教授）合作設計和制備了一種基于人造黑色素納米粒子的具有超高分辨率（> 10000 PPI）的電子墨水顯示器件。黑色素是一類重要的天然高分子材料，廣泛存在于人與動物的皮膚和毛發(fā)中。該團隊通過多種可控或非可控的高分子聚合方法，制備了不同類型的人造黑色素粒子，這些粒子不僅具有與天然黑色素粒子相同的化學成分，還有類似的物理化學性質，如較高的折射率等。人造黑色素粒子具有在水中良好的分散性和穩(wěn)定的表面電荷，且粒子尺寸均一可控，被認為是用于電子墨水的優(yōu)質材料。
該團隊設計的閱讀器主體是一個由兩塊導電玻璃構成的微米級薄層腔室，新型電子墨水材料（即人造黑色素納米粒子水溶液）分散在其中。由于黑色素納米粒子表面帶有負電荷，可以通過外加電場來控制它們的運動，從而進行顯示成像（圖1）。該團隊在研究中發(fā)現(xiàn)，當兩塊玻璃距離在100um左右時，僅須1V電壓即可驅動該閱讀器實現(xiàn)字符和圖形的快速顯示，顯示時間小于1S。切換反向電場，同樣可在1s內完成字符/圖形的擦除。在經過20個以上的“顯示-擦出”循環(huán)實驗之后，電子墨水的顯示對比度和響應時間保持不變，顯示了良好的實用化和較強的商業(yè)化可行性。實驗中與基于目前商用化的電子墨水材料（如炭黑、二氧化鈦顆粒）的閱讀器進行對比，發(fā)現(xiàn)人造黑色素電子墨水材料顯示的對比度均一性、以及信號/背景襯比度相對于商業(yè)化的電子墨水材料均具有一定的優(yōu)勢。最重要的是，由于實現(xiàn)了水相納米粒子地直接驅動，顯示器件的分辨率可以達到10000 PPI以上，可進行納米級顯示。此外，經過簡單氧化處理后的人造黑色素粒子具有非常強的熒光，使得器件也同樣具有特殊的熒光顯示的功能，可以進一步提高閱讀時候信號/背景的襯比度（圖2）。
圖1. 基于人造黑色素電子墨水的閱讀器的示意結構。
圖2.人造黑色素電子墨水的顯示成像圖。
這項工作受到了國家自然科學基金委和高分子材料工程國家重點實驗室（四川大學）的支持，主要參與完成者還有美國賓州州立大學材料研究所的程寰宇教授，浙江工業(yè)大學陳楓教授和四川大學高分子科學與工程學院本科生張小康。這種基于人造黑色素電子墨水的低功耗、雙通道（可見光、熒光）顯示技術，同時也有非常高的環(huán)保優(yōu)勢，在高分辨生物分子印記顯示，功能電子薄膜等領域具有潛在的優(yōu)勢。
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