Frontier 突破二維限制，麻省理工研發3D打印膠體晶體技術
麻省理工學院的研究團隊研發了一種新技術，該技術將膠體粒子自組裝和墨水直寫3D打印相結合，能夠制造出厘米高的晶體材料，每個晶體由數十億個單體膠體制成。麻省理工學院指出，目前科學家已經開發出將膠體溶劑蒸發并組裝成薄膜的技術，比如說根據單個顆粒的大小和排列過濾光制造的顏色顯示器就是用這種技術制造的。但是這種膠體組件僅限于薄膜和其他平面結構，麻省理工學院的新研究旨在利用粒子自組裝和3D打印技術構建任何三維形狀的膠體材料。
相關研究論文“Direct‐Write Freeform Colloidal Assembly”, 發表在Advanced Materialis 期刊中。
可改變顏色的三維膠體結構
膠體是一種混合物，其中一種微觀分散的不溶性顆粒物質懸浮在另一種物質中。膠體可以是大分子或小顆粒，通常在1納米到1微米之間，并懸浮在液體或氣體中。在日常膠體中，顆粒大小和它們通過溶液分散的方式完全是隨機的。
麻省理工學院研究團隊的思路是，通過蒸發膠體液體溶劑，將均勻尺寸的膠體顆粒驅動在一起，將它們組裝成有序晶體，從而產生整體上具有獨特光學，化學和機械性質的結構。這些晶體可以表現出與自然界天然結構類似的性質，例如蝴蝶翅膀中的虹彩細胞，以及海綿中的微觀纖維。
納米粒子從針頭分配到旋轉臺上，產生含有數十億納米粒子的螺旋晶體。圖片來源:MIT
我們可以形象的將單個顆粒想象為一個足球，研究人員用這一新技術制造三維晶體結構的過程就好比是用無數足球搭建一幢摩天大樓一樣，只不過他們的研究工作是在微觀層面上展開的。
研究人員使用定制的3D打印設備創建了微小的三維膠體顆粒塔，3D打印設備由打印針頭、注射器和兩塊可加熱鋁板組成，針頭與注射器被安裝在鋁板上方，打印時由針頭將膠體材料沉積在鋁板上。經過均勻加熱的鋁板，將膠體溶液蒸發，只留下顆粒，當底板旋轉或移動時，可以打印出扭曲或漩渦狀的三維結構。
當膠體溶液被推過針頭時，液體就像是溶液中顆粒的橋梁或模具。顆粒通過液體“下降”，形成液體流形狀的結構。在液體蒸發后，顆粒之間的表面張力將它們保持在有序配置中。
光學顯微鏡下的3D打印膠體晶體。圖片來源:MIT
麻省理工學院的研究團隊在研究中使用了三種膠體材料來驗證這一技術，包括：聚苯乙烯顆粒、二氧化硅和金納米顆粒。研究團隊使用聚苯乙烯顆粒在水中的溶液，并3D打印了厘米高的塔和螺旋結構。每一個結構都包含30億個粒子。在隨后的試驗中，他們測試了含有不同尺寸聚苯乙烯顆粒的溶液，并能夠通過改變單個顆粒的大小，改變3D打印膠體結構的顏色。這是由于顆粒是以周期性有序的方式進行組裝的，光與特定尺度的顆粒相互作用時產生干涉。
研究團隊使用的另外兩種打印材料-二氧化硅和金納米顆粒，具有獨特的光學和電子特性。研究人員3D打印了由200納米直徑的二氧化硅納米粒子和80納米金納米粒子制成的毫米高的塔狀結構，每個納米粒子能夠以不同的方式反射光。
麻省理工學院的研究團隊正在利用這一3D打印技術制造更多種類的膠體顆粒材料。如果利用這種3D打印技術將這些顆粒組合成不同的晶體結構以及不同的三維幾何形狀，將在制造傳感器、彩色顯示屏和光導電子器件領域具有應用潛力。
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