自组装与三维打印一体化！研究人员首次展示3D打印胶体晶体

纳米粒子从针头分配到旋转台上，产生含有数十亿纳米粒子的螺旋晶体。图片来源：Alvin Tan

最近，麻省理工学院的工程师使用一项新技术将自组装和三维打印结合在一起，并在“Advanced Materials”杂志上发表了这项技术。

通过他们的直接写入胶体组装技术，研究人员可以制造厘米高的晶体。其中每个晶体都由数十亿个单体胶体构成， 颗粒处于1纳米到1微米之间。

论文共同作者，麻省理工学院材料科学与工程学院研究生Alvin Tan说：“如果你把每个粒子都做成一个足球大小，那就好比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。”

研究人员发现了一种在高度有序的排列中印刷胶体（如聚合物纳米粒子）的方法，类似于晶体中的原子结构。他们根据每个结构内单个颗粒的大小，以特定方式与光发生相互作用，印刷了各种结构（如小塔和螺旋）。

该团队将3D打印技术视为一种新的方式，利用纳米晶体的新特性，在更大的尺度下（如光学传感器，彩色显示器和光导电子）构建自组装材料。

“如果你可以3D打印一个操纵光子而不是电子的电路，这可能为未来在光学计算中的应用铺平道路，我们就可以操纵光而不是电，这样的设备显然可以更快，更节能”，Tan说道。

Tan的合作者是研究生Justin Beroz，机械工程助理教授Mathias Kolle，以及机械工程副教授A. John Hart。

在光学显微镜下观察3D打印的胶体晶体。图片来源：Felice Frankel

揭开谜底

胶体是任何大分子或小颗粒，通常直径在1纳米至1微米之间，悬浮在液体或气体中。胶体的常见实例是雾，其由分散在空气中的烟灰和其他超细颗粒组成。这些日常胶体中的颗粒通过溶液分散的方式形成，大小完全是随机的。

如果通过蒸发其液体溶剂驱动均匀尺寸的胶体颗粒，使它们组装成有序晶体，则可以产生整体上具有独特光学，化学和机械性质的结构。这些晶体可以表现出与自然界中令人感兴趣的结构相类似的性质，例如蝴蝶翅膀中的虹彩细胞，以及海绵中的微观骨骼纤维。

到目前为止，科学家已经开发出将胶体颗粒蒸发并组装成薄膜的技术，根据单个颗粒的大小和排列方式，可以制成过滤光并产生颜色的显示器。但到目前为止，这种胶体组件仅限于薄膜和其他平面结构。

“这是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三维形状，并应用于各种各样的材料，” Hart说道（该论文的高级作者）。

建立一个粒子桥

研究人员使用定制的3D打印设备创建了微小的三维胶体颗粒塔，该设备由玻璃注射器和针组成，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在底板的基板上。

团队研究人员均匀加热两块铝板，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体结构的形状，类似于在冰淇淋分配器下移动碗以产生扭曲状。

Beroz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者模具。颗粒通过液体“下降”，形成液流形状的结构。在液体蒸发后，颗粒之间的表面张力将它们保持在有序配置中。

作为胶体印刷技术的首次展示，该团队使用分散在水中的聚苯乙烯颗粒，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，他们测试了含有不同尺寸聚苯乙烯颗粒的溶液，能够根据单个颗粒的大小打印反映特定颜色的塔。

“通过改变这些颗粒的大小，你会彻底改变结构的颜色，”Beroz说。 “这是由于颗粒以这种周期有序的方式进行组装，以及与这种颗粒相互作用时光会产生干涉。我们基本上是3D打印晶体。”

该团队还尝试了其他类型的胶体颗粒，即二氧化硅和金纳米颗粒，它们具有独特的光学和电子特性。他们使用直径为200纳米的二氧化硅纳米粒子和直径为80纳米的金纳米粒子打印出毫米高的塔，塔上的每个纳米粒子都能以不同的方式反射光。

“从导电金属颗粒到半导体量子点，我们正在研究不同种类的颗粒，你可以做很多事情，”Tan说。 “将它们组合成不同的晶体结构并将它们形成不同的几何形状以用于新颖的器件结构，我认为这在包括传感，储能和光子学在内的领域类十分有前景。”