斯坦福和哈佛大学共同开发光转换纳米粒子，不需要支撑结构也可3D打印树脂部件

2022年4月22日，南极熊获悉，斯坦福和哈佛大学的研究人员开发了一种新的体积3D打印方法，能够在不需要任何支撑结构的情况下制造树脂部件。

该方法依赖于一种含有纳米颗粒的树脂材料，这种材料只有在聚焦的激光点喷射时才会硬化。通过改变激光焦点，可以在树脂池中的任何点进行打印，而不仅仅是在表层。

通过新技术，新型3D打印机不再遵循自下而上的逐层打印顺序，为从任何方向进行复杂的图形打印铺平了道路。

△斯坦福大学研究人员打印的一个微型树脂长凳3D模型。照片来自Dan Congreve

用于3D打印的光转换纳米粒子
斯坦福3D打印的方法看起来很像传统的立体光刻 (SLA)。激光束照射在大桶中的树脂上，当它暴露在蓝光下时会固化。然而，该团队声称，他们并不仅仅使用标准的蓝色激光，因为这样会沿着穿透光束的整个长度固化树脂。

相反，他们利用了一种特殊的树脂，其中含有直径仅为80纳米的光转换纳米粒子。纳米粒子的设计目的是在达到临界能量阈值时，将红光转换为蓝光。而这只有在激光，处于最大焦点时才能实现。因此，该技术改用标准红色激光，并具有稀释和聚焦红色激光的机制。

该设置消除了仅能在表面层固化的可能，从而可以通过将红色激光聚焦在XYZ坐标上固化树脂槽中的各个点。该团队表示，换句话说，一个或多个激光器可以围绕大桶旋转，相当于同时从任意方向进行体积打印，从而实现制造任意几何形状时，无需支撑。

△最大焦点是树脂将红光变成蓝光，从而固化材料的地方。图片来自斯坦福大学

三重融合上转换
将一种波长的光转换为另一种波长的机制称为三重聚变上转换，这是一名叫Congreve的科研人员正在研究的方向。

“我在研究生时就对这种变频技术很感兴趣，”他补充道。“它在太阳能、生物以及现在的3D打印方面有各种有趣的应用。现在，我们将它们设计为发射正确波长的光，高效发射，并分散在树脂中。”

为了配制特殊的树脂混合物，该团队先将活性转换分子转化为纳米级液滴，再将它们涂敷在二氧化硅层上。所得的纳米胶囊分布在整个树脂基中，最终形成最终的光转换复合材料。

“弄清楚如何使纳米胶囊变得坚固并非易事——3D打印树脂技术实际上非常困难，”该研究的主要作者之一 Tracy Schloemer说。“如果这些纳米胶囊开始分崩离析，它们无法转换又或者溢出，这样会进一步影响它们之间的分子碰撞。”

他们目前还在正在研究光转换纳米胶囊的其他应用。例如开发更高效的太阳能电池板，从而可以将低能光转换为太阳能电池更容易捕获的波长。他们甚至还在研究用光来驱动化学反应的生物模型。

△该研究的更多细节可以在题为“用于体积3D打印的三重融合上转换纳米胶囊”的论文中找到。（点我传输门）

虽然他们的3D打印技术已经很先进，但斯坦福大学的研究人员并不是第一个探索体积3D 打印的人。 Utrecht University大学的一个研究小组最近使用新开发的超快体积3D生物打印方法，成功地制造了肝脏。在不到20秒的时间内打印出来，肝脏单元能够模拟天然肝脏在我们体内执行的毒素清除过程，并可以为再生医学和个性化药物测试开辟新的机会。

△通过可见光断层扫描，体积生物打印方法通过使细胞“透明”，成功打印微型干细胞单元。图片来自 Advanced Materials

在其他地方，伦敦大学学院(UCL)一个研究小组同样使用体积3D打印，在几秒钟内制造出载药片剂。据称该团队在17秒内成功生产出含有扑热息痛的药片，这比目前在研究和一些临床环境中用于打印药物的方法要快得多。