《美国国家科学院院刊》：受变色龙启发，开发UV辅助DIW 3D打印，动态调节颜色

南极熊获悉，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究人员受变色龙变色能力的启发，开发了一种可持续技术，可用单一墨水3D打印多种动态颜色的增材制造技术。该研究已于2023年1月发表在《美国国家科学院院刊》期刊上，题目为《Direct- ink- write cross-linkable bottlebrush block copolymers for on- the-fly control of structural color》(《直接墨水书写可交联瓶刷式嵌段共聚物，用于动态控制结构颜色》）。



研究背景
变色龙是一种能够根据环境变化调节皮肤颜色的动物，它们的皮肤中含有一种特殊的细胞，叫做色素细胞，它们可以通过改变细胞内的色素颗粒的分布来改变反射光的波长，从而产生不同的颜色。这种颜色变化的能力对于变色龙的生存和繁殖有重要的意义，例如用于伪装、交流和情感表达。变色龙的颜色变化机制对于人类的科学和技术也有启发作用，例如可以用于制造可调节的光学器件、智能材料和生物传感器等。

研究内容
如今能够控制和动态调节纳米级结构的增材制造仍然具有挑战性。研究人员通过将增材制造与自组装相结合，开发了一种 UV（紫外线）辅助的直接墨水写入方法，通过光交联对组装动力学进行编程来动态调制结构颜色，具体研究内容如下：


△UV 辅助 DIW 3D 打印机。 (A) 打印机设计示意图，具有定制的气动墨水分配器和用于挤出后光交联的 UV 固化系统。 (B) 开发了 PolyChemPrint3_UV (PCP3_UV) 软件框架，可集中控制商用 3D 打印机运动控制器并将其与定制 UV 固化系统和墨水分配器同步

●研究人员设计了一种可光交联的瓶刷式嵌段共聚物溶液(BBCP)作为打印油墨，挤出后形成纳米级层状结构，溶液表现出鲜艳的结构颜色（即光子特性）。通过在打印过程中动态调节紫外光辐照度，可以对打印材料的颜色进行编程，以使用单一墨水获得广谱的可见光，同时还可以创建以前不可能的颜色渐变。(结构色是一种由物质的微纳米结构对光的干涉和散射产生的颜色，与传统的化学颜料或染料产生的颜色不同，它们更加鲜艳并具有可持续性。）


△通过紫外线交联即时调整结构颜色

●研究人员结合粗粒度模拟、流变测量和结构表征来揭示这种方法的机制，组装机制的核心是交联时间尺度与组装时间尺度的匹配，在溶剂蒸发的驱动下将结构颜色从蓝色演变为红色。这种将交联化学和非平衡处理相结合的策略为增材制造过程中自组装纳米结构的时空控制开辟了一条途径。

●研究人员还展示了如何利用这种材料来制作具有复杂图案和动态效果的艺术品，例如一只变色龙和一幅画。这些作品品可以呈现出生动和逼真的效果。


△呈现结构颜色梯度的 UV 辅助 DIW 3D 打印。 (A) 打印过程中 UV 光辐照度的数字输入，以及产生的具有结构颜色梯度的线条。 (B 和 C) 通过即时 UV 辅助 DIW 3D 打印打印的变色龙和星夜

研究结论

1.本研究提出了一种紫外辅助 DIW 3D 打印方法，能够使用自组装 PS-b-PLA c-BBCP 进行动态调制结构颜色。该技术能够通过UV交联诱导的蒸发组装动力捕获，在使用单一油墨材料的单一印刷过程中获得多种颜色。这种方法得益于两项改进：

●首先，设计并合成了烯丙基官能化的 BBCP，它利用硫醇-烯化学进行紫外交联。

●其次，我们开发了用于 UV 辅助 DIW 3D 打印的硬件和软件框架，能够通过编程 UV 光辐照度来动态调制交联动力学。

2.该方法通过将紫外光辐照度从 411 降低至 0 μW/cm 2 ，获得从深蓝色 (392 nm) 到橙色 (582 nm) 的可见波长光谱中的结构色。将粗粒模拟与流变学和原位结构表征相结合，揭示了蒸发组装过程中交联诱导的动力学捕获机制。这种组装机制有两个关键要素：

●首先，随着更多的块与块接触驱动域间距增加，溶剂蒸发使自组装片层的结构颜色从蓝色演变为红色。通过采用计算效率高的 ISC 模拟来对该系统进行建模，可以实现这种洞察力。

●其次，只有当交联时间尺度与组装时间尺度相当时，交联才能够调整组装动力学和结构颜色。在这种情况下，随着组装体进一步远离平衡，增加交联速率会保持在更蓝的状态。紫外流变学与原位成像相结合揭示了匹配的时间尺度要求，并通过阴性对照实验进行了验证。

3.研究通过动态调节紫外光辐照度来演示颜色渐变的打印，提供了两个示例：变色龙和星夜，颜色涵盖蓝色、绿色和橙色，两者均使用单一墨水在同一个打印机中制作。

研究展望
研究人员提出的方法将增材制造和非平衡组装相结合，以实现对纳米级结构和光子特性的空间和时间控制。这种可持续的技术为3D打印领域提供了一种新的方法，可以用一种墨水来实现多种颜色的打印，而不需要频繁地更换墨盒或混合颜料。这种技术也为制造具有动态颜色变化能力的智能材料和器件提供了一种新的途径，例如可调节的光学滤光片、显示屏和传感器等。此外，也为艺术创作提供了一种新的媒介，可以创造出具有丰富色彩和动态效果的作品，为观众带来新的视觉体验。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313617121