研究人员模拟大自然进行快速彩色3D打印

色彩鲜艳的变色龙、蝴蝶、蛋白石——现在还有一些3d打印材料——通过使用被称为光子晶体的纳米级结构反射颜色。伊利诺伊大学的研究人员在《科学进展》杂志上发表了一项研究，展示了一种改进的3d打印工艺如何提供一种从单一墨水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被称为结构着色的纳米级现象。当光线从这些位于某些动物的翅膀和皮肤上以及某些矿物质中周期性放置的结构反射时，它们会相互干扰，放大某些波长，抑制其他波长。研究人员说，当结构有序且足够小时——大约比人类头发小一千倍——光线就会产生生动的色彩爆发。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学和生物分子工程学教授刁应说:“在用于生产环保涂料和高选择性滤光片等产品的聚合物中再现这些充满活力的颜色是具有挑战性的。”“需要对聚合物合成和加工进行精确控制，才能形成难以置信的薄而有序的层，从而产生我们在自然界中看到的结构颜色。”

该研究报告称，在3D打印过程中，通过仔细调整结构独特的瓶刷状聚合物的组装过程，有可能打印出具有可调层厚度的光子晶体，这些层厚度可以从单一墨水中反射可见光光谱。这种墨水含有两个化学性不同的结合段的分支聚合物。研究人员在打印前将材料溶解在混合聚合物链的溶液中。打印完成后，随着溶液干燥，这些组件在微观尺度上分离，形成纳米级层，根据组装速度表现出不同的物理性质。

化学和生物分子工程教授Damien Guironnet说:“聚合物合成的最大挑战是将纳米级组装所需的精度与3d打印过程所需的大量材料的生产相结合。”

在实验室中，该团队使用一台经过改进的消费级3D打印机来微调打印喷嘴在温度控制的表面上移动的速度。研究生Bijal Patel说:“通过控制墨水沉积的速度和温度，我们可以控制纳米级的组装速度和内层厚度，这是普通3D打印机无法做到的。”“这决定了光线如何从它们身上反射，因此，我们看到的颜色。”

研究人员表示，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更多地了解这一过程中多层形成背后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规模打印。刁说:“我们正在与伊利诺伊大学的Damien Guironnet、Charles Sing和Simon Rogers团队合作，开发更容易控制的聚合物和印刷工艺，使我们更接近于匹配大自然产生的鲜艳色彩。”

帕特尔说:“这项工作突出了研究人员可以实现的目标，他们开始不再把3D打印作为一种把大块材料制成有趣形状的方法。”“在这里，我们直接改变了材料在打印时的物理性质，并解锁了新的行为。”

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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