《美國國家科學(xué)院院刊》：受變色龍啟發(fā)，開發(fā)UV輔助DIW 3D打印，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)顏色

南極熊獲悉，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校研究人員受變色龍變色能力的啟發(fā)，開發(fā)了一種可持續(xù)技術(shù)，可用單一墨水3D打印多種動(dòng)態(tài)顏色的增材制造技術(shù)。該研究已于2023年1月發(fā)表在《美國國家科學(xué)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(lián)瓶刷式嵌段共聚物，用于動(dòng)態(tài)控制結(jié)構(gòu)顏色》）。



研究背景
變色龍是一種能夠根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)皮膚顏色的動(dòng)物，它們的皮膚中含有一種特殊的細(xì)胞，叫做色素細(xì)胞，它們可以通過改變細(xì)胞內(nèi)的色素顆粒的分布來改變反射光的波長，從而產(chǎn)生不同的顏色。這種顏色變化的能力對(duì)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(dá)。變色龍的顏色變化機(jī)制對(duì)于人類的科學(xué)和技術(shù)也有啟發(fā)作用，例如可以用于制造可調(diào)節(jié)的光學(xué)器件、智能材料和生物傳感器等。

研究內(nèi)容
如今能夠控制和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)納米級(jí)結(jié)構(gòu)的增材制造仍然具有挑戰(zhàn)性。研究人員通過將增材制造與自組裝相結(jié)合，開發(fā)了一種 UV（紫外線）輔助的直接墨水寫入方法，通過光交聯(lián)對(duì)組裝動(dòng)力學(xué)進(jìn)行編程來動(dòng)態(tài)調(diào)制結(jié)構(gòu)顏色，具體研究內(nèi)容如下：


△UV 輔助 DIW 3D 打印機(jī)。 (A) 打印機(jī)設(shè)計(jì)示意圖，具有定制的氣動(dòng)墨水分配器和用于擠出后光交聯(lián)的 UV 固化系統(tǒng)。 (B) 開發(fā)了 PolyChemPrint3_UV (PCP3_UV) 軟件框架，可集中控制商用 3D 打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器并將其與定制 UV 固化系統(tǒng)和墨水分配器同步

●研究人員設(shè)計(jì)了一種可光交聯(lián)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(jí)層狀結(jié)構(gòu)，溶液表現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)顏色（即光子特性）。通過在打印過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)紫外光輻照度，可以對(duì)打印材料的顏色進(jìn)行編程，以使用單一墨水獲得廣譜的可見光，同時(shí)還可以創(chuàng)建以前不可能的顏色漸變。(結(jié)構(gòu)色是一種由物質(zhì)的微納米結(jié)構(gòu)對(duì)光的干涉和散射產(chǎn)生的顏色，與傳統(tǒng)的化學(xué)顏料或染料產(chǎn)生的顏色不同，它們更加鮮艷并具有可持續(xù)性。）


△通過紫外線交聯(lián)即時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)顏色

●研究人員結(jié)合粗粒度模擬、流變測(cè)量和結(jié)構(gòu)表征來揭示這種方法的機(jī)制，組裝機(jī)制的核心是交聯(lián)時(shí)間尺度與組裝時(shí)間尺度的匹配，在溶劑蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)下將結(jié)構(gòu)顏色從藍(lán)色演變?yōu)榧t色。這種將交聯(lián)化學(xué)和非平衡處理相結(jié)合的策略為增材制造過程中自組裝納米結(jié)構(gòu)的時(shí)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(fù)雜圖案和動(dòng)態(tài)效果的藝術(shù)品，例如一只變色龍和一幅畫。這些作品品可以呈現(xiàn)出生動(dòng)和逼真的效果。


△呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(shù)字輸入，以及產(chǎn)生的具有結(jié)構(gòu)顏色梯度的線條。 (B 和 C) 通過即時(shí) UV 輔助 DIW 3D 打印打印的變色龍和星夜

研究結(jié)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(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制結(jié)構(gòu)顏色。該技術(shù)能夠通過UV交聯(lián)誘導(dǎo)的蒸發(fā)組裝動(dòng)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(xiàng)改進(jìn)：

●首先，設(shè)計(jì)并合成了烯丙基官能化的 BBCP，它利用硫醇-烯化學(xué)進(jìn)行紫外交聯(lián)。

●其次，我們開發(fā)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(dòng)態(tài)調(diào)制交聯(lián)動(dòng)力學(xué)。

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(lán)色 (392 nm) 到橙色 (582 nm) 的可見波長光譜中的結(jié)構(gòu)色。將粗粒模擬與流變學(xué)和原位結(jié)構(gòu)表征相結(jié)合，揭示了蒸發(fā)組裝過程中交聯(lián)誘導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)捕獲機(jī)制。這種組裝機(jī)制有兩個(gè)關(guān)鍵要素：

●首先，隨著更多的塊與塊接觸驅(qū)動(dòng)域間距增加，溶劑蒸發(fā)使自組裝片層的結(jié)構(gòu)顏色從藍(lán)色演變?yōu)榧t色。通過采用計(jì)算效率高的 ISC 模擬來對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模，可以實(shí)現(xiàn)這種洞察力。

●其次，只有當(dāng)交聯(lián)時(shí)間尺度與組裝時(shí)間尺度相當(dāng)時(shí)，交聯(lián)才能夠調(diào)整組裝動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)顏色。在這種情況下，隨著組裝體進(jìn)一步遠(yuǎn)離平衡，增加交聯(lián)速率會(huì)保持在更藍(lán)的狀態(tài)。紫外流變學(xué)與原位成像相結(jié)合揭示了匹配的時(shí)間尺度要求，并通過陰性對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.研究通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)紫外光輻照度來演示顏色漸變的打印，提供了兩個(gè)示例：變色龍和星夜，顏色涵蓋藍(lán)色、綠色和橙色，兩者均使用單一墨水在同一個(gè)打印機(jī)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(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)結(jié)構(gòu)和光子特性的空間和時(shí)間控制。這種可持續(xù)的技術(shù)為3D打印領(lǐng)域提供了一種新的方法，可以用一種墨水來實(shí)現(xiàn)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(shù)也為制造具有動(dòng)態(tài)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(diào)節(jié)的光學(xué)濾光片、顯示屏和傳感器等。此外，也為藝術(shù)創(chuàng)作提供了一種新的媒介，可以創(chuàng)造出具有豐富色彩和動(dòng)態(tài)效果的作品，為觀眾帶來新的視覺體驗(yàn)。

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