麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)找到了一種方法，可以在高度有序的排列中打印膠體，如聚合物納米粒子，類(lèi)似于晶體中的原子結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種直接寫(xiě)膠體組裝工藝，將膠體自組裝的自下而上原理與直接寫(xiě)入3D打印的多功能性相結(jié)合的過(guò)程，研究人員可以制造厘米級(jí)的獨(dú)立式晶體，每個(gè)晶體由數(shù)十億個(gè)制成。該技術(shù)可用于放大自組裝材料，以用作光學(xué)傳感器，彩色顯示器和光導(dǎo)電子器件。

在光學(xué)顯微鏡下觀察3D打印的膠體晶體

  麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系研究生Alvin Tan說(shuō):“如果你把每個(gè)粒子吹得像足球那么大，那就像把一大堆足球堆成摩天大樓那么高?！薄斑@就是我們?cè)诩{米尺度上所做的?！?/span>

  使用這種方法，研究人員打印了各種結(jié)構(gòu)，如微小的塔和螺旋，根據(jù)每個(gè)結(jié)構(gòu)中單個(gè)顆粒的大小，以特定的方式與光相互作用。

  該團(tuán)隊(duì)將3D打印技術(shù)視為一種新方法，可以構(gòu)建自組裝材料，從而在更大規(guī)模上利用納米晶體的新特性。

  “如果你可以3D打印一個(gè)操縱光子而不是電子的電路，這可以為未來(lái)在光學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用鋪平道路，那就是操縱光而不是電，這樣設(shè)備可以更快，更節(jié)能，”Tan說(shuō)。

  膠體是任何大分子或小顆粒，通常直徑在1nm和1μm之間，懸浮在液體或氣體中。霧是膠體的一個(gè)常見(jiàn)例子，因?yàn)樗蔁熁液头稚⒃诳諝庵械钠渌?xì)顆粒組成。牛奶是分散在水基溶液中的液體乳脂球的乳化膠體。這些日常膠體中的顆粒的大小和它們通過(guò)溶液分散的方式完全是隨機(jī)的。

  如果通過(guò)蒸發(fā)其液體溶劑將均勻尺寸的膠體顆粒一起驅(qū)動(dòng)，使它們組裝成有序晶體，則可以產(chǎn)生具有獨(dú)特光學(xué)，化學(xué)和機(jī)械性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

  到目前為止，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出將膠體顆粒蒸發(fā)和組裝成薄膜的技術(shù)，以形成過(guò)濾光并根據(jù)單個(gè)顆粒的大小和排列產(chǎn)生顏色的顯示器。但到目前為止，這種膠體組件僅限于薄膜和其他平面結(jié)構(gòu)。

  “我們第一次證明可以制造宏觀自組裝膠體材料，我們希望這種技術(shù)可以構(gòu)建任何3D形狀，并應(yīng)用于各種各樣的材料，”A.約翰哈特(A. John Hart)說(shuō)，他是機(jī)械工程副教授，也是這篇論文的資深作者。

  研究人員使用定制的3D打印設(shè)備進(jìn)行該過(guò)程，該設(shè)備由玻璃注射器和針頭組成，安裝在兩個(gè)加熱鋁板上方，針穿過(guò)頂板中的孔并將膠體溶液分配到附接到底板的基板上。

  該團(tuán)隊(duì)均勻加熱兩塊鋁板，以便當(dāng)針頭分配膠體溶液時(shí)，液體緩慢蒸發(fā)，只留下顆粒，底板可以旋轉(zhuǎn)并上下移動(dòng)以操縱整個(gè)結(jié)構(gòu)的形狀。

  麻省理工學(xué)院的研究生賈斯汀貝羅茲說(shuō)：“當(dāng)膠體溶液被推過(guò)針頭時(shí)，液體就會(huì)成為溶液中顆粒的橋梁或模具。顆粒會(huì)”下降“通過(guò)液體，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)。液體蒸發(fā)后，顆粒之間的表面張力將它們保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩！?/span>

  作為膠體打印技術(shù)的首次展示，該團(tuán)隊(duì)使用聚苯乙烯顆粒在水中的溶液，并創(chuàng)造了厘米高的塔和螺旋。這些結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)都包含30億個(gè)粒子。在隨后的試驗(yàn)中，通過(guò)改變聚苯乙烯顆粒的尺寸，他們能夠打印反映特定顏色的塔。

  “通過(guò)改變這些顆粒的大小，你會(huì)徹底改變結(jié)構(gòu)的顏色，”Beroz說(shuō)。 “這是由于顆粒以這種周期性，有序的方式組裝的方式，以及與這種規(guī)模的顆粒相互作用時(shí)光的干涉。我們基本上是3D打印晶體?！?/span>

  該團(tuán)隊(duì)還嘗試了更多的外來(lái)膠體顆粒，即二氧化硅和金納米顆粒，它們具有獨(dú)特的光學(xué)和電子特性。他們打印了由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，每個(gè)納米粒子以不同的方式反射光。

  “從導(dǎo)電金屬顆粒到半導(dǎo)體量子點(diǎn)，我們正在研究不同種類(lèi)的顆粒，你可以做很多事情，”Tan說(shuō)。 “將它們組合成不同的晶體結(jié)構(gòu)并將它們形成不同的幾何形狀以用于新穎的器件架構(gòu)，我認(rèn)為這在包括傳感，儲(chǔ)能和光子學(xué)在內(nèi)的領(lǐng)域?qū)⒎浅Ｓ行??！?/span>

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