麻省理工学院通过直写胶体组装3D打印胶体晶体

发表时间:2018-08-31 09:51

8月31日讯,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印刷胶体,如聚合物纳米粒子,类似于晶体中的原子结构。通过这种直接写入胶体组装工艺,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。
麻省理工学院通过直写胶体组装3D打印胶体晶体
在光学显微镜下观察3D打印的胶体晶体。图片:菲利斯弗兰克尔
   麻省理工学院系研究生Alvin Tan说:“如果你把每个粒子炸成一个足球的大小,那就好像堆叠了很多足球来制造像摩天大楼一样高的东西。这就是我们在纳米尺度上所做的事情。”使用这种方法,研究人员印刷了各种结构,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。”机械工程副教授和论文的高级作者A. John Hart说。

    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。“

麻省理工学院通过直写胶体组装3D打印胶体晶体

     作为胶体印刷技术的首次展示,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,他们能够印刷反映特定颜色的塔。

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