DIW拓展新材料！科學家在3D打印液晶油墨方面取得新突破

導讀：直接墨水書寫（DIW）作為一種低成本、兼容材料廣泛的打印方式，一直以來都受到科學家們的熱切追捧。更重要的是，這是一種極其精確的基于擠壓的3D打印形式，因此科學家大都將DIW作為探索新型材料3D打印應用可行性的有效方式。

近日，埃因霍溫科技大學（TUE）的科學家們在開發(fā)一種與3D打印技術(shù)兼容的新型變色液晶墨水方面取得了新進展。這是一種可隨周邊自然變化而被變化的液晶墨水，它可以通過直接墨水書寫的方式打印到材料表面上。

△直接油墨書寫光子彈性體的打印方案。照片來自埃因霍溫科技大學

研究團隊認為液晶墨水可能在裝飾性照明、用于健康監(jiān)測的軟性可穿戴傳感器，甚至增強現(xiàn)實光學等方面有著重大應用價值。但是在此之前，將這種材料打印成復雜的結(jié)構(gòu)和設(shè)備是極其困難的。

負責該項研究的主要作者Jeroen Sol說："DIW是一種基于擠壓的3D打印方法，墨水從一個小噴嘴逐層分配到一個表面。目前的膽固醇液晶墨水不能用DIW打印，所以我們創(chuàng)造了一種與DIW兼容的液晶墨水。"

△使用新型液晶墨水3D打印的蝴蝶

膽固醇液晶

在自然界中，根據(jù)觀察的角度而改變顏色的材料被稱為虹彩材料。最典型的例子是某些蝴蝶的翅膀、珠寶甲蟲的外表，以及一種被稱為珍珠母的材料，它存在于軟體動物的殼內(nèi)。

我們還有一種與這些材料有著類似性能的人造材料，稱為膽甾體液晶，這種材料同時表現(xiàn)出液體和固體晶體的特性。膽甾體液晶除了用于液晶顯示器之外，還作為智能材料在光反射器、可開關(guān)的窗戶、甚至太陽能電池板中有著先進的應用。

△構(gòu)成液晶低聚物墨水的主要成分的示意圖及反射原理

不幸的是，膽甾體液晶的粘性不夠大，無法制作成固體結(jié)構(gòu)，所以到目前為止還無法用3D打印等先進的制造工藝來使用它們，在一定程度上限制了它們的應用。TUE的研究人員通過開發(fā)一種定制的光反射液晶墨水克服這個障礙，這種墨水可以被擠出并精細排列以產(chǎn)生復雜的顏色梯度。

△液晶墨水根據(jù)入射角度呈現(xiàn)出不同的顏色

可3D打印的液晶墨水

埃因霍溫所研發(fā)的液晶墨水的反射質(zhì)量取決于材料分子的精確螺旋排列，這可以在打印過程中通過改變打印速度等參數(shù)來密切控制。這種墨水的分子還能夠自我組裝成模仿天然彩虹色材料的結(jié)構(gòu)，這意味著由自然環(huán)境變化導致的顏色變化是完全可能的。此外，這種墨水易于生產(chǎn)且具有粘性，這使得它很容易通過直接墨寫來處理。

Sol補充說："為了成功地使用DIW打印新墨水，我們改變了打印速度和溫度等參數(shù)。而且為了讓墨水正常打印，我們還制作了一種含有低分子量液晶的墨水。傳統(tǒng)上，這種水平的控制只有通過非常專業(yè)的制造設(shè)備才能實現(xiàn)，所以用新墨水和DIW 3D打印來做到這一點是一個真正的突破。"

雖然到目前為止，這種墨水只被用來打印一只變色蝴蝶，但Sol認為它可以應用于個性化的醫(yī)療設(shè)備，如視覺動態(tài)可穿戴生物傳感器。這種墨水也可能在增強現(xiàn)實頭盔的光學結(jié)構(gòu)中得到潛在的應用。

索爾總結(jié)說："新材料可能會在未來的HoloLenses中找到它們的方式，現(xiàn)在這將是不尋常的事情！"

這項研究的更多細節(jié)可以在題為 "AnisotropicIridescence and Polarization Patterns in a Direct Ink Written Chiral PhotonicPolymer"的論文中找到。它是由Jeroen Sol等人共同撰寫的。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103309

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