DIW拓展新材料！科学家在3D打印液晶油墨方面取得新突破
时间:2021-08-21 21:52 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
导读：直接墨水书写（DIW）作为一种低成本、兼容材料广泛的打印方式，一直以来都受到科学家们的热切追捧。更重要的是，这是一种极其精确的基于挤压的3D打印形式，因此科学家大都将DIW作为探索新型材料3D打印应用可行性的有效方式。
近日，埃因霍温科技大学（TUE）的科学家们在开发一种与3D打印技术兼容的新型变色液晶墨水方面取得了新进展。这是一种可随周边自然变化而被变化的液晶墨水，它可以通过直接墨水书写的方式打印到材料表面上。
△直接油墨书写光子弹性体的打印方案。照片来自埃因霍温科技大学
研究团队认为液晶墨水可能在装饰性照明、用于健康监测的软性可穿戴传感器，甚至增强现实光学等方面有着重大应用价值。但是在此之前，将这种材料打印成复杂的结构和设备是极其困难的。负责该项研究的主要作者Jeroen Sol说："DIW是一种基于挤压的3D打印方法，墨水从一个小喷嘴逐层分配到一个表面。目前的胆固醇液晶墨水不能用DIW打印，所以我们创造了一种与DIW兼容的液晶墨水。"
△使用新型液晶墨水3D打印的蝴蝶
胆固醇液晶
在自然界中，根据观察的角度而改变颜色的材料被称为虹彩材料。最典型的例子是某些蝴蝶的翅膀、珠宝甲虫的外表，以及一种被称为珍珠母的材料，它存在于软体动物的壳内。我们还有一种与这些材料有着类似性能的人造材料，称为胆甾体液晶，这种材料同时表现出液体和固体晶体的特性。胆甾体液晶除了用于液晶显示器之外，还作为智能材料在光反射器、可开关的窗户、甚至太阳能电池板中有着先进的应用。
△构成液晶低聚物墨水的主要成分的示意图及反射原理
不幸的是，胆甾体液晶的粘性不够大，无法制作成固体结构，所以到目前为止还无法用3D打印等先进的制造工艺来使用它们，在一定程度上限制了它们的应用。TUE的研究人员通过开发一种定制的光反射液晶墨水克服这个障碍，这种墨水可以被挤出并精细排列以产生复杂的颜色梯度。
△液晶墨水根据入射角度呈现出不同的颜色
可3D打印的液晶墨水
埃因霍温所研发的液晶墨水的反射质量取决于材料分子的精确螺旋排列，这可以在打印过程中通过改变打印速度等参数来密切控制。这种墨水的分子还能够自我组装成模仿天然彩虹色材料的结构，这意味着由自然环境变化导致的颜色变化是完全可能的。此外，这种墨水易于生产且具有粘性，这使得它很容易通过直接墨写来处理。
Sol补充说："为了成功地使用DIW打印新墨水，我们改变了打印速度和温度等参数。而且为了让墨水正常打印，我们还制作了一种含有低分子量液晶的墨水。传统上，这种水平的控制只有通过非常专业的制造设备才能实现，所以用新墨水和DIW
3D打印来做到这一点是一个真正的突破。"
虽然到目前为止，这种墨水只被用来打印一只变色蝴蝶，但Sol认为它可以应用于个性化的医疗设备，如视觉动态可穿戴生物传感器。这种墨水也可能在增强现实头盔的光学结构中得到潜在的应用。
索尔总结说："新材料可能会在未来的HoloLenses中找到它们的方式，现在这将是不寻常的事情！"
这项研究的更多细节可以在题为 "AnisotropicIridescence and
Polarization Patterns in a Direct Ink Written Chiral
PhotonicPolymer"的论文中找到。它是由Jeroen Sol等人共同撰写的。
相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103309
三维打印材料的创新是推动功能性增材制造应用的一个重要因素。本月早些时候，来自新加坡南洋理工大学（NTU）和加州理工学院（Caltech）的科学家们3D打印了一种柔性链式邮件启发的织物，可以根据需要变硬。该织物由尼龙塑料聚合物八面体3D打印而成，这些八面体相互交错，可以变成一种刚性结构，比其放松的形式硬25倍。
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