哈佛医学院Y. Shrike Zhang/东南大学顾忠泽等《Mater. Today》：3D打印宏观尺度胶体光子晶体

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自然界中存在着绚丽多彩的颜色，在这些颜色中，有一类特殊的颜色源自于生物身上的特殊有序的微纳结构（如大蓝闪蝶、变色龙等），这类颜色被称为“结构色”，而这类具有特殊有序微纳结构的材料被称为光子晶体。受这些生物的微纳结构启发，人们开发了一系列的光子晶体材料，并应用到不同的领域中，如低损耗波导、动态颜色显示、激光设备、高性能传感器件、特殊染料和涂料、智能防伪标签等。胶体光子晶体是一类由单分散微/纳米粒子（胶体粒子）组装而成的光子晶体，由于其成本低廉、制备简单等优势近年来备受青睐。为满足面向各种应用的个性化需求，要求胶体光子晶体拥有独特的结构设计，从而能够满足应用中的功能需求。然而，目前的胶体光子晶体制备技术大都只能实现平面结构或简单三维结构，还鲜有技术手段能够实现具有任意设计的、复杂3D结构的胶体光子晶体。

3D打印，又被称为增材制造，是近年来发展起来的一种能够灵活设计并制备具有复杂3D几何结构材料的新兴技术。与此同时，结合纳米材料和3D打印技术，人们能够制备出常规制备技术或3D打印技术所不能实现的具有特殊功能的3D材料。然而，目前也鲜有技术能够实现纳米材料在3D打印结构中的长程有序排列。

近日，哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授课题组联合东南大学生物电子学国家重点实验室顾忠泽教授课题组，设计并开发了一种可供3D打印的胶体光子晶体墨水，并结合数字光处理（Digital light processing，DLP）打印技术，成功制备了同时具有宏观复杂3D结构和微观亚微米尺度有序结构的胶体光子晶体。此外，通过对打印体系中墨水组分、打印参数等的调节，作者实现了对所打印物体的3D结构、光学及力学性能、刺激响应性等的轻松控制。这种3D打印胶体光子晶体的技术能够轻松制备具有多重功能的胶体光子晶体，从而进一步模拟自然界中某些结构色生物的复杂层级结构和颜色操纵的策略，使得这些3D打印胶体光子晶体在智能彩色显示器件、3D集成传感器、仿生变色软体机器人等领域中的应用变为可能。

首先，作者开发了一种高带电的柔性胶体粒子，并结合该胶体粒子和可光固化的水凝胶，制备了一种可供3D打印的胶体光子晶体（图1）。

图1. 3D打印胶体光子晶体的设计原理及可打印胶体光子晶体墨水的表征。图2. 3D打印胶体光子晶体的性能表征。

接下来，作者探究了3D打印胶体光子晶体的力学性能和特殊光学性能，并观察到，相较于传统的具有2D宏观结构的胶体光子晶体，他们制备的3D胶体光子晶体由于具备复杂的3D结构，拥有着更为复杂的结构色角度有偏特性（图2）。

图3. 3D打印热响应胶体光子晶体。

另外，结合具有热响应的特殊水凝胶poly(N-isopropyl acrylamide) （PNIPAM），作者开发出了具有灵敏且可逆热响应性的3D胶体光子晶体（图3）。

图4. 4D打印胶体光子晶体。

通过对打印结构的设计和不同组分墨水的使用，作者还开发出了形貌和结构色能够同时随温度变化的4D打印胶体光子晶体（图4）。而通过对墨水以及打印参数的特殊设计，作者还实现了多色的且颜色可调的图案化胶体光子晶体的制备（图5）。

图5. 时差打印可变多色胶体光子晶体。

该文章以题目“3D-Printable Colloidal Photonic Crystals”发表在杂志《Materials Today》 （DOI：10.1016/j.mattod.2022.02.014）上。哈佛医学院访学东南大学廖俊龙博士、苏州科技大学叶常青教授为论文的共同第一作者，论文作者还包括来自墨西哥、印度、美国、新加坡等高校院所研究人员，通讯作者为哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授和东南大学顾忠泽教授。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702122000554

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