新技术允许工程师3D打印胶体晶体

研究人员3D打印胶体晶体

在光学显微镜下观看的3D印刷胶体晶体。图片:Felice Frankel

麻省理工学院工程师通过新技术联合了自动组装和3-D打印的原则,他们今天在杂志上突出了先进的材料。

通过他们的直接写入胶体组装过程,研究人员可以构建厘米高晶体,每个胶体由数十亿个单独的胶体制成,定义为1纳米和1微米之间的颗粒。

“如果你把每个粒子都放大到一个足球大小,那就像把一大堆足球堆到摩天大楼那么高,”研究合著者阿尔文·谭说,他是麻省理工学院材料科学与工程系的研究生。“这就是我们在纳米尺度上正在做的事情。”

研究人员发现一种方法可以在高度有序的布置中打印诸如聚合物纳米颗粒的胶体,类似于晶体中的原子结构。它们印刷各种结构,例如微小的塔和螺旋,其以特定方式与光相互作用,这取决于每个结构内各个颗粒的尺寸。

麻省理工学院研究人员3D打印胶体晶体

纳米颗粒从针分配到旋转阶段,形成含有数十亿纳米颗粒的螺旋晶体。(信誉:Alvin Tan)

该团队将3-D印刷技术视为一种建立自同工材料的新方法,这些材料在更大的尺度下利用纳米晶体的新颖性,如光学传感器,彩色显示器和光导电子。

“如果你可以3-D打印一个操纵光子而不是电子的电路,这可能会为未来的基于光计算中的应用程序铺平道路,操纵灯代替电力,使得设备可以更快,更节能,”棕褐色说。

谭的共同作者是研究生Justin Beroz,机械工程Mathias Kolle助理教授,以及机械工程A. John Hart副教授。


从我们在直接写入胶体组件上发布的亮点,这是一种新的制造工艺,将自组装与3D打印的原则相结合。

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胶体是任何大分子或小颗粒,通常在1纳米和1微米的直径之间测量,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,并且搅打的乳膏是重质奶油中的气泡的悬浮液。这些日常胶体中的颗粒在其尺寸上完全随机,并且它们通过溶液分散的方式。

如果通过蒸发它们的液体溶剂蒸发驱动均匀尺寸的胶体颗粒,则导致它们组装成有序晶体,可以产生整体表现出独特的光学,化学物质和机械性能的结构。这些晶体可以表现出类似于有趣的结构的性质,例如蝴蝶翅膀中的虹彩细胞,以及海绵中的微观型骨骼纤维。

到目前为止,科学家们已经开发出蒸发和将胶体颗粒蒸发和组装成薄膜的技术,以形成滤光的显示器,并基于各个颗粒的尺寸和布置来产生颜色。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了构建宏观尺度的自组装胶体材料是可能的,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,”该论文的高级作者Hart说。

建立粒子桥

研究人员使用由玻璃注射器和针头组成的定制的3-D打印装置,从安装在两个加热的铝板上方的定制3-D打印装置产生微小的胶体颗粒塔。针穿过顶板中的孔,并将胶体溶液分配到附着在底板上的基板上。

该团队均匀地加热铝板,使得随着针分配胶体溶液,液体缓慢蒸发,仅留下颗粒。底板可以旋转并上下移动以操纵整体结构的形状,类似于你在软冰淇淋分配器下方移动碗以产生曲线或漩涡的形状。

Beroz说,随着胶体溶液被推穿过针,液体用作桥的桥梁或模具,用于溶液中的颗粒。颗粒通过液体“下雨”,形成液体流形状的结构。在液体蒸发之后,颗粒之间的表面张力以有序的构造将它们固定到位。

作为胶体印刷技术的第一次演示,团队与解决方案聚苯乙烯水中的颗粒,并创造了厘米高塔和螺旋。这些结构中的每一个都包含30亿颗粒。在随后的试验中,它们测试了含有不同尺寸的聚苯乙烯颗粒的溶液,并且能够根据个体颗粒的尺寸来打印反射特定颜色的塔。

“通过改变这些粒子的大小,您大大改变了结构的颜色,”Beroz说。“由于颗粒被组装的方式,以这种定期,有序的方式和光的干涉,因为它以这种规模与颗粒相互作用。我们基本上是3-D印刷晶体。“

该团队还尝试了更多的异国胶体颗粒,即二氧化硅和金纳米颗粒,其可以表现出独特的光学和电子性质。它们印刷了由200纳米直径的二氧化硅纳米粒子和80纳米金纳米颗粒制成的毫米高塔,每个纳米颗粒以不同方式反射光。

“你可以用不同种类的颗粒来做大量的东西,从导电金属颗粒到半导体量子点,我们正在调查,”谭说。“将它们组合成不同的晶体结构并将它们形成为新颖的设备架构的不同几何形状,我认为这在包括传感,能量存储和光子的领域非常有效。”

该工作得到了全国科学基金会,新加坡国防科学组织研究生奖学金,以及国防科学与工程研究生奖学金计划。

出版物:Alvin T. L. Tan等,“直接写自由形式胶体组装”,2018年高级材料;DOI:10.1002 / ADMA.201803620

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