研究人員模仿自然界進行快速、多彩的3D打印

來源：科技報告與資訊

絢麗多彩的變色龍、蝴蝶、以及一些3D打印材料，都是通過使用被稱為光子晶體的納米級結(jié)構(gòu)來反射顏色。伊利諾伊大學的一項研究展示了一種改良的3D打印工藝，如何通過一種多功能的方法，從單一的墨水中產(chǎn)生多種顏色，該研究發(fā)表在《Science Advances》雜志上。

自然界中一些最鮮艷的顏色來自于一種稱為結(jié)構(gòu)著色的納米級現(xiàn)象。當光線反射到這些位于一些動物的翅膀和皮膚以及一些礦物內(nèi)的周期性的結(jié)構(gòu)上時，它們會相互干擾，以放大某些波長并抑制其他波長。研究人員說，當這些結(jié)構(gòu)有序且足夠小時（大約比人的頭發(fā)小一千倍）射線就會產(chǎn)生生動的色彩爆發(fā)。

"在用于生產(chǎn)環(huán)保涂料和高選擇性光學濾光片等物品的聚合物中重現(xiàn)這些鮮艷的色彩是一項挑戰(zhàn)，"研究負責人、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的化學和生物分子工程教授Ying Diao說。"需要精確控制聚合物的合成和加工，以形成令人難以置信的薄而有序的層，從而產(chǎn)生我們在自然界中看到的結(jié)構(gòu)顏色。"

該研究報告稱，通過在3D打印過程中仔細調(diào)整獨特結(jié)構(gòu)的瓶刷形聚合物的組裝過程，可以打印出具有可調(diào)整層厚的光子晶體，從單一墨水中反射出可見光光譜。

該墨水包含具有兩個鍵合的、化學性質(zhì)不同的段的支化聚合物。研究人員在打印前將材料溶解到溶液中，使聚合物鏈粘合在一起。印刷后，隨著溶液的干燥，各組分在微觀尺度上分離，形成納米級層，根據(jù)組裝速度的不同，表現(xiàn)出不同的物理特性。

"聚合物合成的最大挑戰(zhàn)是將納米級組裝所需的精度與生產(chǎn)3-D打印過程所需的大量材料結(jié)合起來，"共同作者、化學和生物分子工程教授Damien Guironnet說。

在實驗室中，該團隊使用一個經(jīng)過改進的消費型3-D打印機來微調(diào)打印噴嘴在溫控表面移動的速度。"對墨水沉積的速度和溫度進行控制，使我們能夠在納米級控制裝配速度和內(nèi)部層厚度，而普通的3-D打印機無法做到這一點，"該研究的主要作者、研究生Bijal Patel說。"這決定了光線將如何從它們身上反射，讓我們看到了不同的顏色。"

研究人員表示，他們用這種方法實現(xiàn)的顏色光譜是有限的，但他們正在努力通過了解更多關(guān)于多層在這個過程中如何形成的動力學來進行改進。

此外，該團隊正在努力擴大該工藝的工業(yè)相關(guān)性，因為目前的方法并不適合大批量印刷。"我們正在與U.of I.的Damien Guironnet，Charles Sing和Simon Rogers小組合作，開發(fā)更容易控制的聚合物和印刷工藝，使我們更接近匹配自然界產(chǎn)生的鮮艷色彩，"Diao說。

論文標題為《Tunable Structural Color of Bottlebrush Block Copolymers through Direct-Write 3D Printing from Solution》。

不得不說，彩色3D打印是3D打印的一個重要的發(fā)展趨勢，現(xiàn)在已經(jīng)有多個廠家采用不同的技術(shù)方案實現(xiàn)了彩色3D打印，本文中利用單一色彩原料，通過結(jié)構(gòu)著色實現(xiàn)了多色彩，其理念有些類似現(xiàn)在很多人研究的超材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計將在功能獲得方面扮演越來越重要的角色，你認為結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展前景如何？會在哪些領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性的效果。