中大新聞網(wǎng)訊（通訊員郭雙壯）結(jié)構(gòu)色是區(qū)別于傳統(tǒng)化學(xué)色的一種全新的著色方式，其原理是由微觀物理結(jié)構(gòu)與自然光之間的相互作用（如散射、干涉、衍射等）所產(chǎn)生的顏色。結(jié)構(gòu)色材料的色彩不依賴于其成分的化學(xué)特性，因此具有更寬的原材料選擇范圍，在穩(wěn)定性、安全性、耐用性及環(huán)保性等方面均優(yōu)于依靠染料與顏料的傳統(tǒng)染色方式。3D打印技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)色的加工制造提供了全新的思路。然而，目前用于結(jié)構(gòu)色材料的3D打印方法存在打印條件或設(shè)備要求嚴(yán)格、缺乏對加工精度的系統(tǒng)控制、打印缺陷多和可擴(kuò)展性有限等諸多問題，限制了結(jié)構(gòu)色材料的應(yīng)用前景。
近期，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院郭雙壯副教授團(tuán)隊制備了具有光敏活性的可打印結(jié)構(gòu)色墨水，結(jié)合實(shí)驗室自建的高精度多材料直寫打印系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了多彩結(jié)構(gòu)色的溶劑揮發(fā)墨水直寫打印（Solvent cast-direct ink writing，SC-DIW）。該打印策略能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對打印分辨率的精準(zhǔn)控制與復(fù)雜圖案的高精度打印，并能夠靈活地與多種可打印功能材料體系集成。基于此，該團(tuán)隊創(chuàng)新性地將結(jié)構(gòu)色材料集成至仿生機(jī)器人的制造中，在傳統(tǒng)磁控柔性機(jī)器人表面打印結(jié)構(gòu)色涂層，制備了一系列具有仿生結(jié)構(gòu)色外觀及無束縛變形能力的多維度仿生蝴蝶，展現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)色材料3D打印策略在仿生機(jī)器人及其他需要先進(jìn)表面著色方式的系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。
圖1 膽甾相液晶彈性體的溶劑揮發(fā)墨水直寫打印過程
該課題組以向列相液晶RM 267、手性摻雜劑LC 756和擴(kuò)鏈劑EDDET為原料通過邁克爾加成反應(yīng)制備了具有光敏活性的膽甾相液晶彈性體低聚物，并添加二氯甲烷作為稀釋劑制備了可打印墨水。通過探究墨水直寫打印過程中打印速度、打印壓力及針頭直徑對打印墨水細(xì)絲直徑的影響，構(gòu)建數(shù)學(xué)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了在大范圍內(nèi)(52.54~436.27 μm)對打印分辨率的高度控制。直寫打印過程中，在墨水通過針尖擠出過程所受到的剪切力及打印后溶劑各向異性揮發(fā)的共同作用下，液晶分子自組裝形成螺旋有序結(jié)構(gòu)（圖1），使墨水細(xì)絲表現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色，進(jìn)一步經(jīng)光照固化之后顏色可以長期保存。
圖2 高精度多彩結(jié)構(gòu)色圖案的打印
基于對分辨率和顏色的良好控制，可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計圖案的高還原度打印。針對不同圖案的尺寸特點(diǎn)選取恰當(dāng)?shù)姆直媛剩瑒t可實(shí)現(xiàn)對同一圖案的縮放式打印。此外，多材料墨水直寫3D打印系統(tǒng)對多墨水打印技術(shù)的支持使不同顏色的墨水能在一個打印過程中依次打印，實(shí)現(xiàn)彩色圖案的快速制造(圖2)。
圖3 仿生蝴蝶機(jī)器人的設(shè)計、打印及運(yùn)動狀態(tài)照片
除了多色打印，多墨水打印技術(shù)還使結(jié)構(gòu)色材料與多功能材料的集成式打印成為可能。該課題組將結(jié)構(gòu)色材料打印的任意圖案作為仿生表層引入至仿生機(jī)器人中，一體式打印了基于多層結(jié)構(gòu)的仿生柔性機(jī)器人。該仿生機(jī)器人以磁響應(yīng)彈性體為致動層，模仿蝴蝶的無束縛運(yùn)動能力；并以膽甾相液晶彈性體為表面仿生著色層，模仿蝴蝶的結(jié)構(gòu)色外觀。如圖3所示，一體式墨水直寫打印的仿生蝴蝶擁有美麗而逼真的外形，而在外加磁場作用下可生動地“撲動”翅膀，有極高的仿生度，體現(xiàn)了這種打印策略在新一代仿生機(jī)器人及其他更多可打印系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。此外，打印的結(jié)構(gòu)色液晶彈性體還具有熱響應(yīng)性，加熱即可發(fā)生定向形變，呈現(xiàn)出4D打印效果。未來可在仿生機(jī)器人、信息存儲、柔性傳感和信號檢測方面得到應(yīng)用。
該項研究以“3D-Printed Biomimetic Structural Colors”為題發(fā)表在期刊Small上。文章的第一作者是中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級碩士研究生畢燃，郭雙壯副教授為通訊作者。
