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            《美國國家科學院院刊》:受變色龍啟發,開發UV輔助DIW 3D打印,動態調節顏色

            3D打印動態
            2024
            02/21
            20:35
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            南極熊獲悉,美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校研究人員受變色龍變色能力的啟發,開發了一種可持續技術,可用單一墨水3D打印多種動態顏色的增材制造技術。該研究已于2023年1月發表在《美國國家科學院院刊》期刊上,題目為《Direct- ink- write cross-linkable bottlebrush block copolymers for on- the-fly control of structural color》(《直接墨水書寫可交聯瓶刷式嵌段共聚物,用于動態控制結構顏色》)。



            研究背景
            變色龍是一種能夠根據環境變化調節皮膚顏色的動物,它們的皮膚中含有一種特殊的細胞,叫做色素細胞,它們可以通過改變細胞內的色素顆粒的分布來改變反射光的波長,從而產生不同的顏色。這種顏色變化的能力對于變色龍的生存和繁殖有重要的意義,例如用于偽裝、交流和情感表達。變色龍的顏色變化機制對于人類的科學和技術也有啟發作用,例如可以用于制造可調節的光學器件、智能材料和生物傳感器等。

            研究內容
            如今能夠控制和動態調節納米級結構的增材制造仍然具有挑戰性。研究人員通過將增材制造與自組裝相結合,開發了一種 UV(紫外線)輔助的直接墨水寫入方法,通過光交聯對組裝動力學進行編程來動態調制結構顏色,具體研究內容如下:


            △UV 輔助 DIW 3D 打印機。 (A) 打印機設計示意圖,具有定制的氣動墨水分配器和用于擠出后光交聯的 UV 固化系統。 (B) 開發了 PolyChemPrint3_UV (PCP3_UV) 軟件框架,可集中控制商用 3D 打印機運動控制器并將其與定制 UV 固化系統和墨水分配器同步

            ●研究人員設計了一種可光交聯的瓶刷式嵌段共聚物溶液(BBCP)作為打印油墨,擠出后形成納米級層狀結構,溶液表現出鮮艷的結構顏色(即光子特性)。通過在打印過程中動態調節紫外光輻照度,可以對打印材料的顏色進行編程,以使用單一墨水獲得廣譜的可見光,同時還可以創建以前不可能的顏色漸變。(結構色是一種由物質的微納米結構對光的干涉和散射產生的顏色,與傳統的化學顏料或染料產生的顏色不同,它們更加鮮艷并具有可持續性。)


            △通過紫外線交聯即時調整結構顏色

            ●研究人員結合粗粒度模擬、流變測量和結構表征來揭示這種方法的機制,組裝機制的核心是交聯時間尺度與組裝時間尺度的匹配,在溶劑蒸發的驅動下將結構顏色從藍色演變為紅色。這種將交聯化學和非平衡處理相結合的策略為增材制造過程中自組裝納米結構的時空控制開辟了一條途徑。

            ●研究人員還展示了如何利用這種材料來制作具有復雜圖案和動態效果的藝術品,例如一只變色龍和一幅畫。這些作品品可以呈現出生動和逼真的效果。


            △呈現結構顏色梯度的 UV 輔助 DIW 3D 打印。 (A) 打印過程中 UV 光輻照度的數字輸入,以及產生的具有結構顏色梯度的線條。 (B 和 C) 通過即時 UV 輔助 DIW 3D 打印打印的變色龍和星夜

            研究結論

            1.本研究提出了一種紫外輔助 DIW 3D 打印方法,能夠使用自組裝 PS-b-PLA c-BBCP 進行動態調制結構顏色。該技術能夠通過UV交聯誘導的蒸發組裝動力捕獲,在使用單一油墨材料的單一印刷過程中獲得多種顏色。這種方法得益于兩項改進:

            ●首先,設計并合成了烯丙基官能化的 BBCP,它利用硫醇-烯化學進行紫外交聯。

            ●其次,我們開發了用于 UV 輔助 DIW 3D 打印的硬件和軟件框架,能夠通過編程 UV 光輻照度來動態調制交聯動力學。

            2.該方法通過將紫外光輻照度從 411 降低至 0 μW/cm 2 ,獲得從深藍色 (392 nm) 到橙色 (582 nm) 的可見波長光譜中的結構色。將粗粒模擬與流變學和原位結構表征相結合,揭示了蒸發組裝過程中交聯誘導的動力學捕獲機制。這種組裝機制有兩個關鍵要素:

            ●首先,隨著更多的塊與塊接觸驅動域間距增加,溶劑蒸發使自組裝片層的結構顏色從藍色演變為紅色。通過采用計算效率高的 ISC 模擬來對該系統進行建模,可以實現這種洞察力。

            ●其次,只有當交聯時間尺度與組裝時間尺度相當時,交聯才能夠調整組裝動力學和結構顏色。在這種情況下,隨著組裝體進一步遠離平衡,增加交聯速率會保持在更藍的狀態。紫外流變學與原位成像相結合揭示了匹配的時間尺度要求,并通過陰性對照實驗進行了驗證。

            3.研究通過動態調節紫外光輻照度來演示顏色漸變的打印,提供了兩個示例:變色龍和星夜,顏色涵蓋藍色、綠色和橙色,兩者均使用單一墨水在同一個打印機中制作。

            研究展望
            研究人員提出的方法將增材制造和非平衡組裝相結合,以實現對納米級結構和光子特性的空間和時間控制。這種可持續的技術為3D打印領域提供了一種新的方法,可以用一種墨水來實現多種顏色的打印,而不需要頻繁地更換墨盒或混合顏料。這種技術也為制造具有動態顏色變化能力的智能材料和器件提供了一種新的途徑,例如可調節的光學濾光片、顯示屏和傳感器等。此外,也為藝術創作提供了一種新的媒介,可以創造出具有豐富色彩和動態效果的作品,為觀眾帶來新的視覺體驗。

            原文鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313617121

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