抖音|3D打印新技术精细“雕刻”光子晶体( 二 )


克服困难 , 逐个击破墨水难题
除了创新打印方式 , 此次研究中 , 研究团队对打印所需的墨水也进行了大胆革新 。 “我们这次研究中最困难的环节就是打印墨水的开发 。 ”宋延林表示 。
针对上述问题 , 研究团队创造性地研发出了利用氢键辅助的胶体颗粒墨水 , 赋予了打印结构高质量的结构色与光子晶体特性 。 研究团队研发的墨水由三部分组成:实现三维结构构建的光固化单体和光引发剂、保证结构色的纳米颗粒、减少光散射的添加剂 。
在单体的选择和引发剂合成上 , 考虑到环保要求 , 研究团队合成的墨水为水性体系 。 但由于目前广泛使用的引发剂大多为油溶性 , 少数水溶性的引发剂又与3D打印所采用的光波波长不匹配 , 光引发效率较低 。 为了能够得到较高光引发效率的水溶性引发剂 , 团队查阅了大量文献并进行了反复的摸索实验 , 最终成功合成出了水溶性的光引发剂 。
除了引发剂 , 光固化单体的选择更加至关重要 。 宋延林表示 , 合格的光固化单体必须满足既能实现三维结构化 , 又不能在打印过程中引起聚合物和纳米颗粒的相分离的条件 。 论文第一作者张虞表示 , “最终我们找到了丙烯酰胺这种适合的单体 。 ”
选定单体后 , 还需确定光固化单体与纳米颗粒的比例 。 如果光固化单体较少 , 就会无法打印 。 反之 , 如果光固化单体太多 , 则会影响纳米颗粒的运动和分散 , 进而影响结构色的质量 。 团队经过大量实验 , 对多种不同的比例组合反复尝试 , 最终确定了最佳比例 。
最后 , 为了减少光的散射对打印过程的影响 , 尽可能地提高打印结构的色彩饱和度 , 在添加剂的选择上 , 团队尝试了包括碳纳米管、碳纳米纤维以及黑色墨水等多种材料 。 但上述材料均存在种种缺陷 , 研究团队最终将经过特殊处理的炭黑作为添加剂 。
前景广阔 , 让结构色“五彩斑斓”
在此次研究中 , 研究团队发现 , 视角、胶体颗粒粒径以及打印速度等因素都会影响3D结构色的呈现 。 当胶体颗粒粒径和打印速度不变时 , 随着视角增加 , 结构色蓝移 , 即从橙色转变为黄绿色 , 最后转变为蓝紫色 。 这种视角依赖的特性 , 使得连续数字光处理3D打印技术在个性化珠宝配饰及装饰、艺术创作等领域有着比较广阔的应用前景 。
除了视角变化会影响结构色的呈现外 , 当打印速度固定时 , 控制固定胶体颗粒粒径、调节打印速度 , 都可以得到覆盖可见光范围的系列结构色 。 采用顺序切片、依次投影、分段打印的方式 , 还可使同一物体结构上呈现出多种结构色 。

除了实现“信手拈来”般地制备结构色 , 研究团队利用此种连续数字光处理3D打印技术制备出的多种具有光滑内外表面、低光学损耗及颜色选择性的线性光传输和非线性光传输3D结构 , 也验证了该方法在制造高效光学传输器件方面的独特优势 。 宋延林表示 , 未来研究团队会在光子晶体功能器件的制备方面继续进行新的探索 。