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(duì)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(wèn)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(duì)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(yàn)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(duì)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(duì)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)探究墨水直寫打印過(guò)程中打印速度、打印壓力及針頭直徑對(duì)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(duì)打印分辨率的高度控制。直寫打印過(guò)程中，在墨水通過(guò)針尖擠出過(guò)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(zhǎng)期保存。
圖2 高精度多彩結(jié)構(gòu)色圖案的打印
基于對(duì)分辨率和顏色的良好控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)圖案的高還原度打印。針對(duì)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(duì)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(duì)多墨水打印技術(shù)的支持使不同顏色的墨水能在一個(gè)打印過(guò)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(jì)、打印及運(yùn)動(dòng)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(dòng)層，模仿蝴蝶的無(wú)束縛運(yùn)動(dòng)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(chǎng)作用下可生動(dòng)地“撲動(dòng)”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(lái)可在仿生機(jī)器人、信息存儲(chǔ)、柔性傳感和信號(hào)檢測(cè)方面得到應(yīng)用。
該項(xiàng)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(jí)碩士研究生畢燃，郭雙壯副教授為通訊作者。
