《Science》子刊：厲害！直接書寫自定義彩色結(jié)構(gòu)

來源：材料科學(xué)與工程

膠體晶體和玻璃已經(jīng)可以設(shè)計成具有可調(diào)、彩虹色、不褪色且無毒的結(jié)構(gòu)色。然而，印刷適印性低和印刷質(zhì)量差，限制了它們的使用。在此，來自韓國的SHIN-HYUNKIM等研究者報道了利用膠體油墨直接書寫高亮度和高飽和度的結(jié)構(gòu)彩色圖形。相關(guān)論文以題為“Direct writing of customized structural-color graphics with colloidal photonic inks”發(fā)表在Science Advances上。

大自然創(chuàng)造了周期性的納米結(jié)構(gòu)來發(fā)展結(jié)構(gòu)色，這些顏色可以增強(qiáng)或減少動物的可見性，以進(jìn)行交配競爭或偽裝。一些生長在光照不足環(huán)境中的植物，利用納米結(jié)構(gòu)來提高它們的光合效率。受自然的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了人工周期性納米結(jié)構(gòu)，提供可調(diào)諧的、彩虹色的、不褪色的且無毒的顏色。膠體組件的制備是制備光子納米結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)、最簡便的方法之一。長程有序的膠體晶體具有較強(qiáng)的彩虹色彩，而短程有序的膠體玻璃具有較淺的顏色，角度依賴性較低。使用膠體陣列進(jìn)行實際著色，需要膠體陣列的模式與控制的安排和高機(jī)械穩(wěn)定性具有可靠和可復(fù)制的方式。結(jié)構(gòu)色印刷，可根據(jù)設(shè)計、顏色組合和目標(biāo)承印物類型定制，尤其吸引人。

雖然人們已經(jīng)提出了各種不同的膠體組件結(jié)構(gòu)色圖案的策略，但很少有同時滿足商業(yè)應(yīng)用的要求。蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝，已用于局部沉積的膠體懸浮液，但其通量低，機(jī)械穩(wěn)定性差。雖然各種自上而下的光刻技術(shù)，也被用于制備自下而上的膠體組件的微圖案，但當(dāng)用于多色圖案時，這些技術(shù)通常涉及精細(xì)和耗時的多步驟過程。噴墨打印是一種最有前途的可定制模式的方法；然而，大面積的空隙和球形的膠體組裝限制了顏色的亮度。因此，如何通過簡單易行的工藝，在高通量下生產(chǎn)具有高光學(xué)性能和足夠機(jī)械穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)色圖案，仍然是一個長期的挑戰(zhàn)。

在此，研究者報告了直接書寫的膠體光子墨水的可定制結(jié)構(gòu)色印刷。為了避免耗時的蒸發(fā)過程，在沒有揮發(fā)組分的情況下，使粒子具有排斥的粒子間勢，從而導(dǎo)致粒子的自發(fā)有序。通過在光固化樹脂中分散二氧化硅顆粒，使其體積分?jǐn)?shù)適于宏觀打印和微觀膠體結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化油墨的配制，同時可提供明顯的著色和滿意的印刷流變性。有了這種墨水，任何線條和表面的宏觀設(shè)計，都可以直接寫在各種基底上，其中的微觀膠體排列被設(shè)置為結(jié)晶或無定形，這取決于樹脂的粘度來控制顏色的虹彩。此外，高力學(xué)穩(wěn)定性和控制模數(shù)使圖形能夠表面轉(zhuǎn)移，折紙折疊，或彈性拉伸。這種直接書寫方法，為結(jié)構(gòu)色彩的實用性使用提供了前所未有的可控性和通用性。

圖1 結(jié)構(gòu)上彩色線條的直接書寫。

圖2 控制線的尺寸。

圖3 結(jié)構(gòu)色表面的直接書寫。

圖4 多色圖案。

圖5 具有受控屬性的多色圖案。

綜上所述，研究者演示了使用粘彈性光子墨水直接書寫結(jié)構(gòu)色圖形。該油墨的最佳配方，以同時實現(xiàn)高可印刷性所需的宏觀流變性和結(jié)構(gòu)著色所需的微觀膠體排列。膠體排列受油墨介質(zhì)的粘度控制，可以是彩虹色的晶體結(jié)構(gòu)，也可以是彩虹色較少的玻璃結(jié)構(gòu)。直接書寫提供結(jié)構(gòu)彩色線條，寬度控制在180至800 μm范圍內(nèi)，在不影響打印質(zhì)量的情況下，打印速度可提高至15 mm s−1。融合后的面具有可控的晶體取向和較高的平整度，絕對反射率高于80%。因為高粘度妨礙了兩種不同油墨的混合，所以多色圖形印刷采用單步光固化。此外，圖形可以直接打印在各種目標(biāo)表面，包括眼鏡、塑料、金屬、紙張和織物，或轉(zhuǎn)移到任何目標(biāo)表面。

這種實用的直接書寫方法，提供了前所未有的可控性和通用性，作為設(shè)計結(jié)構(gòu)色彩圖形的實用手段。該光子墨水可以進(jìn)一步設(shè)計成具有各種刺激響應(yīng)性。織物上的可調(diào)顏色圖形，可以用作類似變色龍皮膚的可穿戴顯示器。刺激響應(yīng)貼片，可用作人類日常生活和工業(yè)中溫度、濕度、pH值和特定分子的直觀比色指標(biāo)。（文：水生）


論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj8780