化学家首次打印出结构复杂的彩色 3D 物体
如果某人有一个“坚硬的外壳，但内心柔软”，这通常被认为是一种吸引人的性格特征。但对于高分子化学教授 Markus Gallei 和他的博士生 Lukas Siegwardt 来说，吸引力在于创造具有硬心和软壳的被称为“完美粒子”的物体。
术语“完美颗粒”用于指所有具有相同尺寸和形状的颗粒。Siegwardt 和 Gallei 现在已经对这些通常由普通聚合物(如聚苯乙烯或聚(丙烯酸乙酯))制成的起始材料进行了修改，以便它们现在可以在 3D 打印机中进行处理——这是迄今为止不可能实现的 。
人工制造显示结构色材料的方法自 2001 年以来一直存在，但仅限于超薄膜，厚度不到一毫米。“传统上，这些材料在工业压力机或薄膜轧制设备中进行加工，以生产可以改变颜色的聚合物薄膜，”Gallei 教授解释说。
薄膜的颜色可以通过多种方式改变，例如拉动材料、对其施加电压、改变温度或改变 pH 值，仅举几例。“您基本上可以按需控制材料的颜色，”Markus Gallei 说。这种结构色的两大优点是它们完全无害——与许多传统染料不同——而且它们永不褪色。
此外，这些材料几乎是可以无限变形的，直到最近，这还受到它们只能作为超薄膜生产这一事实的限制。如果这些材料可以被塑造成 3D 物体，它们可以用于广泛的应用，例如防伪技术或作为多功能测量传感器，仅举两个潜在的未来用途。可以制造颗粒，使其具有高度特殊的特性，同时也易于成型。
卢卡斯·西格沃特 (Lukas Siegwardt) 拉动一个长约 5 厘米的打印测试样本，展示了这种材料的变色龙特性。当他拉动时，物体的颜色逐渐从红色变为蓝色。Siegwardt 解释说：“所以你可以看到，这种材料已经可以作为一种简单的传感器发挥作用，可以对拉力和压力做出反应。”
要了解基础化学，我们需要回到前面提到的那些标准聚合物的“完美粒子”。这些材料以白色粘性粉末的形式在市场上出售，可以被送入工业印刷机，或者现在更常见的是被送入 3D 打印机。
Markus Gallei 解释说：“在印刷过程中，粒子会自行排列成规则的图案，这些图案会根据粒子之间的间距而具有不同的颜色。”
单个颗粒的软壳熔化形成围绕硬核的可流动物质。拉动一个物体会改变各个核心粒子之间的距离，并且颜色会相应地发生变化。坚硬的完美粒子在柔软的周围介质中移动，并将自己排列成新的图案。Markus Gallei 将这种分子水平的重排解释为“从单个颗粒之间挤出蜂蜜”。
改变这些微小粒子之间的距离会改变材料与可见光相互作用的方式，从而改变我们观察到的颜色。
但是，为 3D 打印准备此类材料需要 Lukas Siegwardt 进行大量实验室工作。“我修改了材料，以便实际打印出来。我花了几个月的时间才找到正确的成分和正确的配方，”Siegwardt 说。在这个过程中有两个棘手的问题需要解决。首先，Siegwardt 必须改变粉末状起始材料的流动特性，这样颗粒就不会堵塞打印机的喷嘴，并且材料可以在打印时尽可能少地留下残留物。
“第二个问题是材料的热性能。在工业印刷机中，起始材料必须承受大约 120 °C。但在 3D 打印机中，材料会经历 140 °C 的温度，有时甚至高达 200 °C，”齐格沃特说，解释了对材料的要求。“那几个月我测试的许多材料根本无法胜任这项工作，”他回忆道。但他的坚持得到了回报，他终于找到了正确的食谱。
由于他们的努力，来自萨尔州大学的两位研究科学家建立了一种方法，可用于为这些闪闪发光的结构彩色物体开发新的实际应用。而这一切都归功于软壳和硬核。
该研究发表在《先进功能材料》杂志上。
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2024-10-08
