2026年第4篇與3D打印技術(shù)相關(guān)的nature正刊文章于4月22日發(fā)表。中國科學(xué)院化學(xué)研究所聯(lián)合新加坡國立大學(xué)發(fā)表了題為“Printable meta-assemblies enable synergetic colouration（可打印元組裝實(shí)現(xiàn)協(xié)同著色）”的文章。

該研究成功開發(fā)出一種“卷對卷”納米3D打印技術(shù)，使用普通材料，就能像印報(bào)紙一樣高精度、大規(guī)模、低成本的制造出光學(xué)超材料，從而讓對光的人為操控更加精準(zhǔn)且簡單，未來有望在光子信息、醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域起到重要推動(dòng)作用。

什么是光學(xué)超材料

自然界中存在的很多鮮艷顏色，如蝴蝶翅膀或孔雀羽毛，源于微觀結(jié)構(gòu)對光的干涉、衍射等作用，如果能成功復(fù)制這種結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)對光進(jìn)行主動(dòng)精準(zhǔn)操控，這就是光學(xué)超材料的研究范疇，它也是下一代通信、成像、高端制造的關(guān)鍵核心材料。

但長期以來，人工制造這些結(jié)構(gòu)面臨兩大困境，首先是難以規(guī)模化，其次是實(shí)現(xiàn)的光學(xué)效應(yīng)很單一。

解決的核心問題

面對以上難題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了“卷對卷”增材納米打印設(shè)備，柔性基材在滾筒間連續(xù)輸送，就能以納米級精度快速打印出光學(xué)超材料，實(shí)現(xiàn)了低成本、規(guī)模化和個(gè)性化定制。

在打印材料方面，選用的是單分散的核殼結(jié)構(gòu)聚苯乙烯（PS）納米顆粒與甲酰胺溶劑混合墨水，在打印過程中能夠穩(wěn)定噴射；打印基底選用的是疏水且粘附度低的硅基或玻璃基底。

整個(gè)制造過程演示

噴墨過程演示，單液滴中含有大量納米顆粒

包含納米顆粒的墨水被精確沉積在基底上后，溶劑會(huì)因基底溫度較高而揮發(fā)，液滴中的納米顆粒通過毛細(xì)力自組裝成六方密排結(jié)構(gòu)，這就是光子晶體。通過調(diào)節(jié)墨水的濃度或控制打印層數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)光子晶體的尺寸調(diào)節(jié)。

此時(shí)的光子晶體非常脆弱，隨后，在這些固化的光子晶體上，涂覆一層液態(tài)聚二甲基硅氧烷（PDMS），它能滲入納米顆粒之間的微小空隙，通過熱結(jié)合固化（可紅外燈照射）后形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而把納米顆粒牢牢固定住，使整個(gè)結(jié)構(gòu)具備機(jī)械強(qiáng)度。

納米顆粒自組裝后涂覆一層液態(tài)PDMS固定形狀

該過程后，可將打印的結(jié)構(gòu)從基底上剝離，從而完成最終的“納米顆粒或光學(xué)器件組裝制造”。

需要注意的是，PDMS固化后形成了連續(xù)的薄膜，將所有自組裝成的光子晶體連成了一片，從而呈現(xiàn)出研究中看到的頭像圖案。

筆者注意到，整個(gè)流程可以在一卷柔性薄膜上進(jìn)行，這種制造數(shù)量可以達(dá)到百萬量級。通過以上方式，研究人員解決了大批量、高精度制造的難題，而且成本低。

研究解決的另一個(gè)問題是如何操控光。

最終形成的光子晶體呈現(xiàn)凹坑形狀，光會(huì)在其中產(chǎn)生多次干涉，從而產(chǎn)生與中心不同的顏色。因此，研究人員能夠通過調(diào)控墨水的濃度改變納米球的直徑、凹坑的直徑、多層打印等手段來調(diào)節(jié)光在其中的作用效果，進(jìn)而顯示出不同的顏色。

科研團(tuán)隊(duì)通過以上手段，設(shè)計(jì)出了類似“光子織物”的多尺度微納結(jié)構(gòu)，既能像萬花筒一樣呈現(xiàn)豐富色彩，又能精準(zhǔn)控制光的傳播與色散。

有望解鎖新應(yīng)用

該研究所展示的超材料3D打印平臺(tái)，能夠根據(jù)設(shè)計(jì)精確控制每一個(gè)微小單元的連續(xù)生產(chǎn)，能夠?qū)⒐鈱W(xué)超材料生產(chǎn)從實(shí)驗(yàn)室過渡到工業(yè)生產(chǎn)級別。

而且，該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)展制造，光學(xué)架構(gòu)可定制，且成本制造低。所制造的光學(xué)器件不需要復(fù)雜的后處理，防水、耐搓、不褪色，具備很好的穩(wěn)定性，從而在信息安全到智能顯示等實(shí)用著色場景中具有巨大應(yīng)用潛力。

此前，光學(xué)材料如要做到多功能、好量產(chǎn)非常難，該研究很好的兼顧了兩種需求。同時(shí)，這一方案為后續(xù)研究提供了一個(gè)新思路，通過換用其他材料，或能解鎖更多有趣的功能。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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