麻省理工团队利用3D打印自组装胶体晶体，为未来光学计算铺平道路

在光学显微镜下观察到的3-D打印的胶体晶体

麻省理工学院的工程师使用一种新技术将自组装和3D打印技术结合在了一起，他们今天在Advanced Materials期刊发表的“Direct-Write Freeform Colloidal Assembly”文章详细介绍了这种技术。

通过他们的胶体组装过程，研究人员可以制造厘米高的晶体，每个晶体由数十亿个单体胶体制成，单体胶体是1纳米到1微米之间的颗粒。

研究报告的共同作者，麻省理工材料科学与工程学院研究生Alvin Tan说：“如果你把每个粒子想象成一个足球的大小，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正在做的事情。”

研究人员发现了一种在类似晶体高度有序结构的排列中印制胶体的方法，比如印制聚合物纳米粒子胶体。他们已经印制了各种结构，如小塔和螺旋，根据每个结构内单个颗粒大小的不同，分别以特定方式与光相互作用。

该团队将3D打印技术作为一种新的方式来构建自组装材料，这充分利用了纳米晶体的新特性，使其在更广的领域得到应用，如光学传感器，彩色显示器和光导电子。

Tan说：“如果可以3D打印一个操纵光子的电路而非电子的电路，这可能为未来在光学计算中的应用铺平道路，这种电路操纵光而不是电，这样设备可以更快，更节能。”

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。

走出迷雾

任何大分子或小颗粒都属于胶体，胶体直径通常在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。常见的胶体还有搅打奶油，它是重奶油中的气泡悬浮液。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收集起来，并使它们组装成有序晶体，就有可能产生整体上具有独特的光学，化学和机械性质的结构。这些晶体表现出与自然界中一些结构相似的性能，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，科学家已经开发出新的技术，可以将胶体颗粒蒸发并组装成薄膜，该薄膜可以形成根据单个颗粒的大小和排列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一些平面结构。

该论文的高级作者Hart说：“这是人类第一次成功制造出宏观自组装胶体材料，我们希望这种技术可以构建所有的三维形状，并应用于各种各样的材料。”

创建一个粒子桥

研究人员使用定制的3D打印设备打印出了微小的三维胶体颗粒塔，该设备由玻璃注射器和针组成，并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。

研究人员均匀加热两块铝板，这么做是当针头分配胶体溶液时，液体蒸发能够缓慢，以致最后只留下颗粒。底板可以旋转并上下移动以操纵整体结构的形状，这就好比您可以在软冰淇淋分配器下转动手碗以产生扭曲或漩涡。

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模具。 颗粒通过液体下降，形成液体流形状的结构。在液体蒸发后，颗粒之间的表面张力使它们保持在有序的构型中。

该团队把聚苯乙烯颗粒溶解在水中得到的溶液，通过胶体印刷技术，首次创造出厘米高的塔和螺旋。每个结构都包含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，并能够根据单个颗粒的大小打印出反映特定颜色的塔。

Beroz说：“通过改变这些颗粒的大小，就能彻底改变结构的颜色。分析原因，这是由于颗粒以一种周期性有序的方式组装在一起，并且光与这种尺度的颗粒相互作用时发生干涉。我们甚至可以说是3D打印晶体。“

该团队人员还尝试了更多的外来胶体颗粒，比如二氧化硅和金纳米颗粒，它们具有独特的光学和电子特性。他们印制了由直径200纳米的二氧化硅纳米粒子和直径80纳米金的纳米粒子制成的毫米高的塔，结果表明，每个纳米粒子都以不同的方式反射光。

Tan说：“从导电金属颗粒到半导体量子点，我们在研究不同种类的颗粒，这么看我们还有很多实验去做。将它们组合成不同的晶体结构，并将它们设计成不同的几何形状以用于新颖的器件架构，我认为这在包括传感，储能和光子学在内的众多领域将是非常有意义的事情。”