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。
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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。
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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。
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整個(gè)制造過程演示
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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。
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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”。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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