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研究人员模仿自然界进行快速、多彩的3D打印

绚丽多彩的变色龙、蝴蝶、以及一些3D打印材料,都是通过使用被称为光子晶体的纳米级结构来反射颜色。伊利诺伊大学的一项研究展示了一种改良的3D打印工艺,如何通过一种多功能的方法,从单一的墨水中产生多种颜色,该研究发表在《Science Advances》杂志上。

自然界中一些最鲜艳的颜色来自于一种称为结构着色的纳米级现象。当光线反射到这些位于一些动物的翅膀和皮肤以及一些矿物内的周期性的结构上时,它们会相互干扰,以放大某些波长并抑制其他波长。研究人员说,当这些结构有序且足够小时(大约比人的头发小一千倍)射线就会产生生动的色彩爆发。

"在用于生产环保涂料和高选择性光学滤光片等物品的聚合物中重现这些鲜艳的色彩是一项挑战,"研究负责人、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学和生物分子工程教授Ying Diao说。"需要精确控制聚合物的合成和加工,以形成令人难以置信的薄而有序的层,从而产生我们在自然界中看到的结构颜色。"

该研究报告称,通过在3D打印过程中仔细调整独特结构的瓶刷形聚合物的组装过程,可以打印出具有可调整层厚的光子晶体,从单一墨水中反射出可见光光谱。该墨水包含具有两个键合的、化学性质不同的段的支化聚合物。研究人员在打印前将材料溶解到溶液中,使聚合物链粘合在一起。印刷后,随着溶液的干燥,各组分在微观尺度上分离,形成纳米级层,根据组装速度的不同,表现出不同的物理特性。

"聚合物合成的最大挑战是将纳米级组装所需的精度与生产3-D打印过程所需的大量材料结合起来,"共同作者、化学和生物分子工程教授Damien Guironnet说。在实验室中,该团队使用一个经过改进的消费型3-D打印机来微调打印喷嘴在温控表面移动的速度。"对墨水沉积的速度和温度进行控制,使我们能够在纳米级控制装配速度和内部层厚度,而普通的3-D打印机无法做到这一点,"该研究的主要作者、研究生Bijal Patel说。"这决定了光线将如何从它们身上反射,让我们看到了不同的颜色。"

研究人员表示,他们用这种方法实现的颜色光谱是有限的,但他们正在努力通过了解更多关于多层在这个过程中如何形成的动力学来进行改进。此外,该团队正在努力扩大该工艺的工业相关性,因为目前的方法并不适合大批量印刷。"我们正在与U.of I.的Damien Guironnet,Charles Sing和Simon Rogers小组合作,开发更容易控制的聚合物和印刷工艺,使我们更接近匹配自然界产生的鲜艳色彩,"Diao说。

不得不说,彩色3D打印是3D打印的一个重要的发展趋势,现在已经有多个厂家采用不同的技术方案实现了彩色3D打印,本文中利用单一色彩原料,通过结构着色实现了多色彩,其理念有些类似现在很多人研究的超材料,结构设计将在功能获得方面扮演越来越重要的角色,你认为结构设计技术的发展前景如何?会在哪些领域产生颠覆性的效果。