伊利诺伊大学香槟分校 受大自然的启发，伊利诺伊州的研究人员开发了基于合成结构的彩色材料——就像在变色龙皮肤中发现的那些——用于3D打印的聚合物墨水
信用:刁研究集团
色彩鲜艳的变色龙、蝴蝶、蛋白石——现在还有一些三维印刷材料——通过使用被称为光子晶体的纳米级结构来反射颜色
《科学进展》杂志上发表了一项新的研究，该研究展示了一种改进的三维印刷工艺如何提供一种从单一油墨中产生多种颜色的通用方法
自然界中一些最鲜艳的颜色来自一种叫做结构着色的纳米级现象
当光线从这些周期性放置的结构反射时，这些结构位于一些动物的翅膀和皮肤上以及一些矿物中，它们建设性地相互干扰以放大某些波长并抑制其他波长
当结构有序且足够小时——研究人员说，大约比人的头发小一千倍——光线会产生鲜艳的颜色
伊利诺伊大学香槟分校的化学和生物分子工程学教授、该项研究的负责人应刁说:“在生产环保涂料和高选择性光学滤光片等产品的聚合物中重现这些鲜艳的颜色很有挑战性。”
“需要对聚合物的合成和加工过程进行精确控制，以形成非常薄的有序层，从而产生我们在自然界中看到的结构颜色
" 该研究报告称，通过在三维打印过程中仔细调整独特结构的瓶状聚合物的组装过程，可以打印出具有可调层厚的光子晶体，该光子晶体可以反射来自单一墨水的可见光光谱
该油墨包含具有两个键合的、化学上不同的链段的支化聚合物
研究人员将这种材料溶解在一种溶液中，在印刷前将聚合物链粘合在一起
印刷后，随着溶液变干，组分在微观尺度上分离，形成纳米尺度的层，这些层根据组装速度表现出不同的物理性质
“聚合物合成的最大挑战是将纳米级组装所需的精度与三维打印过程所需的大量材料的生产相结合，”合著者、化学和生物分子工程教授达米恩·吉伦内说
在实验室中，该团队使用一台改进的消费三维打印机来微调打印喷嘴在温控表面上的移动速度
“通过控制墨水沉积的速度和温度，我们可以控制纳米芯片的组装速度和内层厚度，这是普通的三维打印机无法做到的，”该研究的主要作者、研究生比贾尔·帕特尔说
“这决定了光线如何从它们身上反射，从而决定了我们看到的颜色
" 研究人员说，他们用这种方法获得的色谱是有限的，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，因为目前的方法不太适合大批量印刷
“我们正与美国大学的达米安·吉伦内、查尔斯·辛和西蒙·罗杰斯小组合作
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为了开发更容易控制的聚合物和印刷工艺，使我们更接近于自然产生的鲜艳色彩，”刁说
帕特尔说:“这项工作强调了当研究人员开始不再把注意力集中在三维打印上，而是把散装材料做成有趣的形状时，可以实现的目标。”
“在这里，我们直接改变材料的物理性质，以印刷和释放新的行为
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