MIT研究人员通过直写胶体组装3D打印胶体晶体

麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法，可以在高度有序的排列中打印胶体，如聚合物纳米粒子，类似于晶体中的原子结构。通过这种直接写胶体组装工艺，将胶体自组装的自下而上原理与直接写入3D打印的多功能性相结合的过程，研究人员可以制造厘米级的独立式晶体，每个晶体由数十亿个制成。该技术可用于放大自组装材料，以用作光学传感器，彩色显示器和光导电子器件。

在光学显微镜下观察3D打印的胶体晶体

麻省理工学院材料科学与工程系研究生Alvin Tan说:“如果你把每个粒子吹得像足球那么大，那就像把一大堆足球堆成摩天大楼那么高。”“这就是我们在纳米尺度上所做的。”

使用这种方法，研究人员打印了各种结构，如微小的塔和螺旋，根据每个结构中单个颗粒的大小，以特定的方式与光相互作用。该团队将3D打印技术视为一种新方法，可以构建自组装材料，从而在更大规模上利用纳米晶体的新特性。

“如果你可以3D打印一个操纵光子而不是电子的电路，这可以为未来在光学计算中的应用铺平道路，那就是操纵光而不是电，这样设备可以更快，更节能，”Tan说。胶体是任何大分子或小颗粒，通常直径在1nm和1μm之间，悬浮在液体或气体中。雾是胶体的一个常见例子，因为它由烟灰和分散在空气中的其他超细颗粒组成。牛奶是分散在水基溶液中的液体乳脂球的乳化胶体。这些日常胶体中的颗粒的大小和它们通过溶液分散的方式完全是随机的。

如果通过蒸发其液体溶剂将均匀尺寸的胶体颗粒一起驱动，使它们组装成有序晶体，则可以产生具有独特光学，化学和机械性质的结构。到目前为止，研究人员已经开发出将胶体颗粒蒸发和组装成薄膜的技术，以形成过滤光并根据单个颗粒的大小和排列产生颜色的显示器。但到目前为止，这种胶体组件仅限于薄膜和其他平面结构。

“我们第一次证明可以制造宏观自组装胶体材料，我们希望这种技术可以构建任何3D形状，并应用于各种各样的材料，”A.约翰哈特(A. John Hart)说，他是机械工程副教授，也是这篇论文的资深作者。研究人员使用定制的3D打印设备进行该过程，该设备由玻璃注射器和针头组成，安装在两个加热铝板上方，针穿过顶板中的孔并将胶体溶液分配到附接到底板的基板上。

该团队均匀加热两块铝板，以便当针头分配胶体溶液时，液体缓慢蒸发，只留下颗粒，底板可以旋转并上下移动以操纵整个结构的形状。麻省理工学院的研究生贾斯汀贝罗兹说：“当胶体溶液被推过针头时，液体就会成为溶液中颗粒的桥梁或模具。颗粒会”下降“通过液体，形成一个结构。液体蒸发后，颗粒之间的表面张力将它们保持在适当的位置。“

作为胶体打印技术的首次展示，该团队使用聚苯乙烯颗粒在水中的溶液，并创造了厘米高的塔和螺旋。这些结构中的每一个都包含30亿个粒子。在随后的试验中，通过改变聚苯乙烯颗粒的尺寸，他们能够打印反映特定颜色的塔。

“通过改变这些颗粒的大小，你会彻底改变结构的颜色，”Beroz说。 “这是由于颗粒以这种周期性，有序的方式组装的方式，以及与这种规模的颗粒相互作用时光的干涉。我们基本上是3D打印晶体。”

该团队还尝试了更多的外来胶体颗粒，即二氧化硅和金纳米颗粒，它们具有独特的光学和电子特性。他们打印了由200纳米直径的二氧化硅纳米粒子和80纳米金纳米粒子制成的毫米高的塔，每个纳米粒子以不同的方式反射光。

“从导电金属颗粒到半导体量子点，我们正在研究不同种类的颗粒，你可以做很多事情，”Tan说。 “将它们组合成不同的晶体结构并将它们形成不同的几何形状以用于新颖的器件架构，我认为这在包括传感，储能和光子学在内的领域将非常有效。”

来源：3D打印智造网