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構。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合的過程，研究人員可以制造厘米級的獨立式晶體，每個晶體由數(shù)十億個制成。該技術可用于放大自組裝材料，以用作光學傳感器，彩色顯示器和光導電子器件。

在光學顯微鏡下觀察3D打印的膠體晶體

  麻省理工學院材料科學與工程系研究生Alvin Tan說:“如果你把每個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。”“這就是我們在納米尺度上所做的。”

  使用這種方法，研究人員打印了各種結構，如微小的塔和螺旋，根據(jù)每個結構中單個顆粒的大小，以特定的方式與光相互作用。

  該團隊將3D打印技術視為一種新方法，可以構建自組裝材料，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打印一個操縱光子而不是電子的電路，這可以為未來在光學計算中的應用鋪平道路，那就是操縱光而不是電，這樣設備可以更快，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。霧是膠體的一個常見例子，因為它由煙灰和分散在空氣中的其他超細顆粒組成。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動，使它們組裝成有序晶體，則可以產(chǎn)生具有獨特光學，化學和機械性質的結構。

  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，以形成過濾光并根據(jù)單個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構。

  “我們第一次證明可以制造宏觀自組裝膠體材料，我們希望這種技術可以構建任何3D形狀，并應用于各種各樣的材料，”A.約翰哈特(A. John Hart)說，他是機械工程副教授，也是這篇論文的資深作者。

  研究人員使用定制的3D打印設備進行該過程，該設備由玻璃注射器和針頭組成，安裝在兩個加熱鋁板上方，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。

  該團隊均勻加熱兩塊鋁板，以便當針頭分配膠體溶液時，液體緩慢蒸發(fā)，只留下顆粒，底板可以旋轉并上下移動以操縱整個結構的形狀。

  麻省理工學院的研究生賈斯汀貝羅茲說：“當膠體溶液被推過針頭時，液體就會成為溶液中顆粒的橋梁或模具。顆粒會”下降“通過液體，形成一個結構。液體蒸發(fā)后，顆粒之間的表面張力將它們保持在適當?shù)奈恢谩！?/span>

  作為膠體打印技術的首次展示，該團隊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。這些結構中的每一個都包含30億個粒子。在隨后的試驗中，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，你會徹底改變結構的顏色，”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光的干涉。我們基本上是3D打印晶體。”

  該團隊還嘗試了更多的外來膠體顆粒，即二氧化硅和金納米顆粒，它們具有獨特的光學和電子特性。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，每個納米粒子以不同的方式反射光。

  “從導電金屬顆粒到半導體量子點，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構并將它們形成不同的幾何形狀以用于新穎的器件架構，我認為這在包括傳感，儲能和光子學在內(nèi)的領域將非常有效。”

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