克服困難，逐個(gè)擊破墨水難題

除了創(chuàng)新打印方式，此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)打印所需的墨水也進(jìn)行了大膽革新�！拔覀冞@次研究中最困難的環(huán)節(jié)就是打印墨水的開(kāi)發(fā)�！彼窝恿直硎尽�

針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地研發(fā)出了利用氫鍵輔助的膠體顆粒墨水，賦予了打印結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)色與光子晶體特性。研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的墨水由三部分組成：實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)構(gòu)建的光固化單體和光引發(fā)劑、保證結(jié)構(gòu)色的納米顆粒、減少光散射的添加劑。

在單體的選擇和引發(fā)劑合成上，考慮到環(huán)保要求，研究團(tuán)隊(duì)合成的墨水為水性體系。但由于目前廣泛使用的引發(fā)劑大多為油溶性，少數(shù)水溶性的引發(fā)劑又與3D打印所采用的光波波長(zhǎng)不匹配，光引發(fā)效率較低。為了能夠得到較高光引發(fā)效率的水溶性引發(fā)劑，團(tuán)隊(duì)查閱了大量文獻(xiàn)并進(jìn)行了反復(fù)的摸索實(shí)驗(yàn)，最終成功合成出了水溶性的光引發(fā)劑。

除了引發(fā)劑，光固化單體的選擇更加至關(guān)重要。宋延林表示，合格的光固化單體必須滿(mǎn)足既能實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)化，又不能在打印過(guò)程中引起聚合物和納米顆粒的相分離的條件。論文第一作者張虞表示，“最終我們找到了丙烯酰胺這種適合的單體�！�

選定單體后，還需確定光固化單體與納米顆粒的比例。如果光固化單體較少，就會(huì)無(wú)法打印。反之，如果光固化單體太多，則會(huì)影響納米顆粒的運(yùn)動(dòng)和分散，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)色的質(zhì)量。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)多種不同的比例組合反復(fù)嘗試，最終確定了最佳比例。

最后，為了減少光的散射對(duì)打印過(guò)程的影響，盡可能地提高打印結(jié)構(gòu)的色彩飽和度，在添加劑的選擇上，團(tuán)隊(duì)嘗試了包括碳納米管、碳納米纖維以及黑色墨水等多種材料。但上述材料均存在種種缺陷，研究團(tuán)隊(duì)最終將經(jīng)過(guò)特殊處理的炭黑作為添加劑。

前景廣闊，讓結(jié)構(gòu)色“五彩斑斕”

在此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，視角、膠體顆粒粒徑以及打印速度等因素都會(huì)影響3D結(jié)構(gòu)色的呈現(xiàn)。當(dāng)膠體顆粒粒徑和打印速度不變時(shí)，隨著視角增加，結(jié)構(gòu)色藍(lán)移，即從橙色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S綠色，最后轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)紫色。這種視角依賴(lài)的特性，使得連續(xù)數(shù)字光處理3D打印技術(shù)在個(gè)性化珠寶配飾及裝飾、藝術(shù)創(chuàng)作等領(lǐng)域有著比較廣闊的應(yīng)用前景。

除了視角變化會(huì)影響結(jié)構(gòu)色的呈現(xiàn)外，當(dāng)打印速度固定時(shí)，控制固定膠體顆粒粒徑、調(diào)節(jié)打印速度，都可以得到覆蓋可見(jiàn)光范圍的系列結(jié)構(gòu)色。采用順序切片、依次投影、分段打印的方式，還可使同一物體結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出多種結(jié)構(gòu)色。

除了實(shí)現(xiàn)“信手拈來(lái)”般地制備結(jié)構(gòu)色，研究團(tuán)隊(duì)利用此種連續(xù)數(shù)字光處理3D打印技術(shù)制備出的多種具有光滑內(nèi)外表面、低光學(xué)損耗及顏色選擇性的線性光傳輸和非線性光傳輸3D結(jié)構(gòu)，也驗(yàn)證了該方法在制造高效光學(xué)傳輸器件方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。宋延林表示，未來(lái)研究團(tuán)隊(duì)會(huì)在光子晶體功能器件的制備方面繼續(xù)進(jìn)行新的探索。