MIT研究人員通過直寫膠體組裝3D打印膠體晶體

  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，類似于晶體中的原子結(jié)構(gòu)。通過這種直接寫膠體組裝工藝，將膠體自組裝的自下而上原理與直接寫入3D打印的多功能性相結(jié)合的過程，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:“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。”“這就是我們?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。

  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溶液分散的方式完全是隨機(jī)的。

  如果通過蒸發(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，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：“當(dāng)膠體溶液被推過針頭時(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。 “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的顆粒，你可以做很多事情，”Tan說。 “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А！?/span>

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