化學家首次打印出結構複雜的彩色 3D 物體

　　如果某人有一個“堅硬的外殼，但内心柔軟”，這通常被認為是一種吸引人的性格特征。但對于高分子化學教授 Markus Gallei 和他的博士生 Lukas Siegwardt 來說，吸引力在于創造具有硬心和軟殼的被稱為“完美粒子”的物體。

　　術語“完美顆粒”用于指所有具有相同尺寸和形狀的顆粒。Siegwardt 和 Gallei 現在已經對這些通常由普通聚合物(如聚苯乙烯或聚(丙烯酸乙酯))制成的起始材料進行了修改，以便它們現在可以在 3D 打印機中進行處理——這是迄今為止不可能實現的 。

　　人工制造顯示結構色材料的方法自 2001 年以來一直存在，但僅限于超薄膜，厚度不到一毫米。“傳統上，這些材料在工業壓力機或薄膜軋制設備中進行加工，以生産可以改變顔色的聚合物薄膜，”Gallei 教授解釋說。

　　薄膜的顔色可以通過多種方式改變，例如拉動材料、對其施加電壓、改變溫度或改變 pH 值，僅舉幾例。“您基本上可以按需控制材料的顔色，”Markus Gallei 說。這種結構色的兩大優點是它們完全無害——與許多傳統染料不同——而且它們永不褪色。

　　此外，這些材料幾乎是可以無限變形的，直到最近，這還受到它們隻能作為超薄膜生産這一事實的限制。如果這些材料可以被塑造成 3D 物體，它們可以用于廣泛的應用，例如防僞技術或作為多功能測量傳感器，僅舉兩個潛在的未來用途。可以制造顆粒，使其具有高度特殊的特性，同時也易于成型。

　　盧卡斯·西格沃特 (Lukas Siegwardt) 拉動一個長約 5 厘米的打印測試樣本，展示了這種材料的變色龍特性。當他拉動時，物體的顔色逐漸從紅色變為藍色。Siegwardt 解釋說：“所以你可以看到，這種材料已經可以作為一種簡單的傳感器發揮作用，可以對拉力和壓力做出反應。”

　　要了解基礎化學，我們需要回到前面提到的那些标準聚合物的“完美粒子”。這些材料以白色粘性粉末的形式在市場上出售，可以被送入工業印刷機，或者現在更常見的是被送入 3D 打印機。

　　Markus Gallei 解釋說：“在印刷過程中，粒子會自行排列成規則的圖案，這些圖案會根據粒子之間的間距而具有不同的顔色。”

　　單個顆粒的軟殼熔化形成圍繞硬核的可流動物質。拉動一個物體會改變各個核心粒子之間的距離，并且顔色會相應地發生變化。堅硬的完美粒子在柔軟的周圍介質中移動，并将自己排列成新的圖案。Markus Gallei 将這種分子水平的重排解釋為“從單個顆粒之間擠出蜂蜜”。

　　改變這些微小粒子之間的距離會改變材料與可見光相互作用的方式，從而改變我們觀察到的顔色。

　　但是，為 3D 打印準備此類材料需要 Lukas Siegwardt 進行大量實驗室工作。“我修改了材料，以便實際打印出來。我花了幾個月的時間才找到正确的成分和正确的配方，”Siegwardt 說。在這個過程中有兩個棘手的問題需要解決。首先，Siegwardt 必須改變粉末狀起始材料的流動特性，這樣顆粒就不會堵塞打印機的噴嘴，并且材料可以在打印時盡可能少地留下殘留物。

　　“第二個問題是材料的熱性能。在工業印刷機中，起始材料必須承受大約 120 °C。但在 3D 打印機中，材料會經曆 140 °C 的溫度，有時甚至高達 200 °C，”齊格沃特說，解釋了對材料的要求。“那幾個月我測試的許多材料根本無法勝任這項工作，”他回憶道。但他的堅持得到了回報，他終于找到了正确的食譜。

　　由于他們的努力，來自薩爾州大學的兩位研究科學家建立了一種方法，可用于為這些閃閃發光的結構彩色物體開發新的實際應用。而這一切都歸功于軟殼和硬核。

　　該研究發表在《先進功能材料》雜志上。