科学家开发出3D打印液晶墨水实现不同光

CINNOResearch产业资讯，近日，科学家开发出一种可以反光、并能够用3D打印的液晶墨水。这里的液晶可以是传统的胆甾型液晶——一种用于电视和智能手机的人造材料，具有介于液态和固态晶体之间的特性。这一研究成果可以实现可调颜色设计，有望用于从可穿戴传感器到装饰照明的一系列应用。特别有吸引力的是，这种墨水比以前的液晶墨水具有更高的粘度，这一特性也让它更适合用于3D快速打印。

据外媒Techxplore报道，埃因霍温理工大学(TU/e)的一个研究小组与荷兰应用科学研究组织(TNO)、荷兰跨国公司(DSM)、Brightlands材料中心和SABIC的科学家合作，基自组装手性光子结构创造了一种液晶弹性体墨水。这种特殊的墨水可以通过DIW(DirectInkWriting)形式的快速3D打印方式打印在对象表面。

“DIW是一种基于挤出方案的快速3D打印方案，这种方案中，墨水从非常小的喷嘴逐层印刷到表面上，”TU/e研究员JeroenSol说，“目前的胆甾型液晶墨水还不能用于DIW打印，但是我们现在创造了一种可用于DIW方案的液晶墨水。”

这种墨水中的光反射特性决定于整个材料中分子的精确螺旋排列，而这种排列正是研究人员通过微调印刷实现的。

“为了能够成功使用DIW打印这种新的墨水，我们调整了打印速度和温度等参数，”Sol说。

据介绍，研究人员最终以非常高的精度控制了上述纳米级材料的分子排列，并进一步通过调整打印速度控制了材料的外观和光反射特性。这里，调整打印速度和写入方向可以通过对材料光轴调整而改变反射颜色和偏振性，这意味着研究人员可以按自己目标“编程”这种手性光子聚合物材料。

图1.研究人员通过3D打印方案将光子膜涂覆在柔性塑料基板上，显示出轴向不对称的颜色反射和基于入射角的可变圆偏振选择性

为了进一步确保墨水可以按目标正确打印，该研究团队使用低分子量液晶作为墨水材料。该墨水中的分子会自组装成预定结构，进而显示出与自然界中发现的彩虹色相似的颜色。

“传统上，这种层面的控制只能通过非常专业的制造设备才能实现，因此使用我们的新墨水和DIW3D打印方案能做到这一点是一个真正的突破，”Sol说。

在材料科学模仿自然的一个例子中，研究人员利用这种技术打印合成了蝴蝶翅膀。这对蝴蝶翅膀可以模仿生物界蝴蝶身上看到的彩虹色，甚至连不同角度观察时出现的颜色变化也可以栩栩如生地模仿。

在使用棒式涂层制作10cm2数量级的薄膜后，研究人员进一步使用DIW方案生成了一套复杂地、具有特定空间定义的光学图案，这其中他们通过改变沉积速率调整了墨水的手性特性。

尽管胆甾型液晶的特性可用于许多应用，但其传统形式的材料粘性不够，无法形成稳定的固体结构，而且很难排列其分子以产生特定颜色。不过现在，研究人员开发出的这种液晶墨水兼具了非常高的粘度。

图2.研究人员利用上述液晶墨水开发出的蝴蝶展示品

从基材上移除后，上述蝴蝶结构的弹性体在拍摄时呈现出独立的光子橡胶形态。该墨水将简单的处理与在逐个体素的基础上自由选择反射光的虹彩和圆偏振相结合，可用于制造一些能够与佩戴者进行视觉交互的可穿戴生物传感器。

“更重要的是，我们的新墨水可以很好地和DIW3D打印技术组合，进而可以用于打印增强现实头戴式设备所需的很多专用光学结构，”Sol说，“另外，这种新材料还可以助力Hololenses在未来展现更吸引人地性能。”

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