Frontier 突破二維限制，麻省理工研發(fā)3D打印膠體晶體技術(shù)
麻省理工學(xué)院的研究團隊研發(fā)了一種新技術(shù)，該技術(shù)將膠體粒子自組裝和墨水直寫3D打印相結(jié)合，能夠制造出厘米高的晶體材料，每個晶體由數(shù)十億個單體膠體制成。麻省理工學(xué)院指出，目前科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出將膠體溶劑蒸發(fā)并組裝成薄膜的技術(shù)，比如說根據(jù)單個顆粒的大小和排列過濾光制造的顏色顯示器就是用這種技術(shù)制造的。但是這種膠體組件僅限于薄膜和其他平面結(jié)構(gòu)，麻省理工學(xué)院的新研究旨在利用粒子自組裝和3D打印技術(shù)構(gòu)建任何三維形狀的膠體材料。
相關(guān)研究論文“Direct‐Write Freeform Colloidal Assembly”, 發(fā)表在Advanced Materialis 期刊中。
可改變顏色的三維膠體結(jié)構(gòu)
膠體是一種混合物，其中一種微觀分散的不溶性顆粒物質(zhì)懸浮在另一種物質(zhì)中。膠體可以是大分子或小顆粒，通常在1納米到1微米之間，并懸浮在液體或氣體中。在日常膠體中，顆粒大小和它們通過溶液分散的方式完全是隨機的。
麻省理工學(xué)院研究團隊的思路是，通過蒸發(fā)膠體液體溶劑，將均勻尺寸的膠體顆粒驅(qū)動在一起，將它們組裝成有序晶體，從而產(chǎn)生整體上具有獨特光學(xué)，化學(xué)和機械性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。這些晶體可以表現(xiàn)出與自然界天然結(jié)構(gòu)類似的性質(zhì)，例如蝴蝶翅膀中的虹彩細(xì)胞，以及海綿中的微觀纖維。
納米粒子從針頭分配到旋轉(zhuǎn)臺上，產(chǎn)生含有數(shù)十億納米粒子的螺旋晶體。圖片來源:MIT
我們可以形象的將單個顆粒想象為一個足球，研究人員用這一新技術(shù)制造三維晶體結(jié)構(gòu)的過程就好比是用無數(shù)足球搭建一幢摩天大樓一樣，只不過他們的研究工作是在微觀層面上展開的。
研究人員使用定制的3D打印設(shè)備創(chuàng)建了微小的三維膠體顆粒塔，3D打印設(shè)備由打印針頭、注射器和兩塊可加熱鋁板組成，針頭與注射器被安裝在鋁板上方，打印時由針頭將膠體材料沉積在鋁板上。經(jīng)過均勻加熱的鋁板，將膠體溶液蒸發(fā)，只留下顆粒，當(dāng)?shù)装逍D(zhuǎn)或移動時，可以打印出扭曲或漩渦狀的三維結(jié)構(gòu)。
當(dāng)膠體溶液被推過針頭時，液體就像是溶液中顆粒的橋梁或模具。顆粒通過液體“下降”，形成液體流形狀的結(jié)構(gòu)。在液體蒸發(fā)后，顆粒之間的表面張力將它們保持在有序配置中。
光學(xué)顯微鏡下的3D打印膠體晶體。圖片來源:MIT
麻省理工學(xué)院的研究團隊在研究中使用了三種膠體材料來驗證這一技術(shù)，包括：聚苯乙烯顆粒、二氧化硅和金納米顆粒。研究團隊使用聚苯乙烯顆粒在水中的溶液，并3D打印了厘米高的塔和螺旋結(jié)構(gòu)。每一個結(jié)構(gòu)都包含30億個粒子。在隨后的試驗中，他們測試了含有不同尺寸聚苯乙烯顆粒的溶液，并能夠通過改變單個顆粒的大小，改變3D打印膠體結(jié)構(gòu)的顏色。這是由于顆粒是以周期性有序的方式進行組裝的，光與特定尺度的顆粒相互作用時產(chǎn)生干涉。
研究團隊使用的另外兩種打印材料-二氧化硅和金納米顆粒，具有獨特的光學(xué)和電子特性。研究人員3D打印了由200納米直徑的二氧化硅納米粒子和80納米金納米粒子制成的毫米高的塔狀結(jié)構(gòu)，每個納米粒子能夠以不同的方式反射光。
麻省理工學(xué)院的研究團隊正在利用這一3D打印技術(shù)制造更多種類的膠體顆粒材料。如果利用這種3D打印技術(shù)將這些顆粒組合成不同的晶體結(jié)構(gòu)以及不同的三維幾何形狀，將在制造傳感器、彩色顯示屏和光導(dǎo)電子器件領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
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