研究人员模拟自然以实现快速、彩色的3D打印

色彩鲜艳的变色龙、蝴蝶、蛋白石——以及现在的一些3d打印材料——通过被称为光子晶体的纳米级结构反射颜色。

一项发表在《科学进展》杂志上的新研究表明,一种改进的3d打印工艺提供了一种多用途的方法,可以用一种油墨产生多种颜色。德赢手机版

自然界中一些最鲜艳的颜色来自一种叫做结构着色的纳米级现象。当光线反射这些周期性放置在某些动物翅膀和皮肤上的结构和某些矿物质时,它们会相互干扰,放大某些波长,抑制其他波长。研究人员说,当这些结构足够有序且足够小时——大约比人的头发小一千倍——射线就会产生鲜艳的色彩。

研究人员模拟自然以实现快速、彩色的3D打印

化学与生物分子工程学教授应雕。

L. Brian Stauffer拍摄

“在生产环保涂料和高选择性滤光片等产品的聚合物中重现这些鲜艳的颜色是一项挑战,”研究负责人说应刁,一个化学和生物分子工程学教授在伊利诺伊大学香槟分校。“需要对聚合物合成和加工过程进行精确控制,才能形成极薄、有序的层,从而产生我们在自然界看到的结构颜色。”

该研究报告称,在3D打印过程中,通过仔细调整独特结构的瓶刷状聚合物的组装过程,有可能打印出层厚可调、能反射单一油墨可见光光谱的光子晶体。

这种墨水含有两种具有化学键合、化学性质截然不同的支化聚合物。研究人员在打印前将材料溶解到一种溶液中,混合聚合物链。印刷完成后,溶液干燥后,这些成分在微观尺度上分离,形成纳米级的层,根据组装速度的不同呈现出不同的物理特性。

合著者说:“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结合起来。Damien Guironnet他是化学和生物分子工程学的教授。

在实验室中,该团队使用一款改良的消费者3D打印机来微调打印喷嘴在温度控制表面上的移动速度。该研究的主要作者、研究生Bijal Patel说:“通过控制油墨沉积的速度和温度,我们可以控制组装的速度和纳米级的内层厚度,这是普通的3D打印机做不到的。”“这就决定了光线如何从它们身上反射,从而决定了我们看到的颜色。”

研究人员说,他们用这种方法获得的光谱是有限的,但他们正在努力改进,通过学习更多关于多层在这个过程中如何形成的动力学。

此外,该团队正致力于扩大该工艺的工业关联性,因为目前的方法不太适合大容量印刷。“我们正在与达米安·古ironnet合作,查尔斯唱西蒙•罗杰斯Diao说:“在i大学的团队开发更容易控制的聚合物和vwin手机版印刷工艺,使我们更接近于匹配大自然产生的鲜艳的颜色。”

帕特尔说:“这项工作强调了研究人员开始将3D打印作为一种将大块材料制成有趣形状的方法,这是可以实现的。”“在这里,我们直接改变了印刷材料的物理特性,并开启了新的行为。”

合著者包括研究生Dylan J. Walsh和Justin Kwok,前本科生Do Hoon Kim,以及来自伊利诺伊州的Guironnet;和Argonne国家实验室研究员Byeongdu Lee。

美国国家科学基金会支持这项德赢手机版研究。

刁也附属于材料科学与工程德赢手机版贝克曼先进科学技术研究所德赢手机版在伊利诺斯州


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