一个由新的3D打印工艺生产的船雕像，这使得在一个树脂体积内打印一个对象成为可能——就像漂浮在一块果冻中心的动作人物——而不必一层一层地构建对象。虽然3D打印技术在过去十年里取得了显著进步，但该技术仍然面临一个基本限制:物体必须一层一层地建造。但如果他们不必如此呢？斯坦福大学电子工程助理教授、哈佛大学罗兰研究所前罗兰研究员丹·康格里夫(Dan Congreve)和他的同事们开发了一种在固定体积的树脂内打印3D物体的方法。打印的物体完全由厚树脂支撑——想象一个活动人偶漂浮在一块果冻的中心——所以它可以从任何角度添加。这就消除了用更标准的印刷方法创建复杂设计时通常需要的支撑结构。最近发表在《自然》杂志上的新3D打印系统可以更容易地打印越来越复杂的设计，同时节省时间和材料。
康格里夫说:“这种体积打印的能力使你能够打印出以前非常困难的物体。”“这是三维打印向前发展的一个非常令人兴奋的机会。”
用光印刷
从表面上看，这项技术似乎相对简单:研究人员通过透镜聚焦激光，并将其照射到凝胶状树脂中，当暴露在蓝光下时，树脂会硬化。但是康格里夫和他的同事们不能简单地使用蓝色激光——树脂会沿着光束的整个长度固化。相反，他们使用红光和一些巧妙设计的分散在树脂中的纳米材料，仅在激光的精确焦点处产生蓝光。通过在树脂容器周围移动激光，他们能够创建详细的无支撑打印。
康格里夫的实验室专门使用一种叫做三重融合上转换的方法将一种波长的光转换成另一种波长。通过正确的分子相互靠近，研究人员可以创建一个能量转移链，例如，将低能红色光子转化为高能蓝色光子。
“我在研究生院时就对这种上转换技术感兴趣，”康格里夫说。“它在太阳能、生物以及现在的3D打印方面有各种有趣的应用。我们真正的专长是纳米材料本身——设计它们来发射正确波长的光，有效地发射光，并分散在树脂中。”
在这个3D打印过程中，蓝色光的小点引发了化学反应，使树脂硬化成塑料。鸣谢:Tracy H. Schloemer和Arynn O. Gallegos通过一系列步骤(包括将他们的一些材料放入Vitamix搅拌机中旋转)，康格里夫和他的同事们能够将必要的上转换分子形成独特的纳米级液滴，并将其包裹在保护性的李思ca外壳中。然后，他们将产生的纳米胶囊分布在整个树脂中，每个纳米胶囊都比人类头发的宽度小1000倍。
康格里夫实验室的博士后研究员、论文的第一作者之一Tracy Schloemer说:“弄清楚如何让纳米胶囊变得坚固并不简单——3D打印树脂实际上相当苛刻。”“如果这些纳米胶囊开始分解，你进行上转换的能力就会消失。你所有的内容都溢出来了，你不能得到你需要的那些分子碰撞。”
光转换纳米胶囊的下一步
研究人员目前正在努力改进他们的3D打印技术。他们正在研究同时打印多个点的可能性，这将大大加快过程，以及以更高的分辨率和更小的比例打印。
康格里夫也在探索将上转换纳米胶囊投入使用的其他机会。它们也许能够帮助提高太阳能电池板的效率，例如，通过将无用的低能光转换成太阳能电池可以收集的波长。或者，它们可以用来帮助研究人员更精确地研究可以用光触发的生物模型，甚至在未来，提供局部治疗。
“你可以用红外光穿透组织，然后用这种上转换技术将红外光转化为高能光，例如，驱动化学反应，”康格里夫说。“我们在纳米尺度上控制材料的能力给了我们很多非常酷的机会来解决否则难以解决的挑战性问题。”
这项研究的其他斯坦福合作者是博士后学者Tracy Schloemer前客座研究员迈克尔·塞茨；和研究生阿林·加莱戈斯。其他共同作者，包括一名共同主要作者，来自哈佛大学罗兰研究所。
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