在此次研究中，研究團隊使用了連續數字光處理3D打印技術，利用紫外線光束在光敏樹脂溶液中雕刻形成3D結構。除了在打印方式上創新，研究團隊還對打印所需的墨水進行了大膽革新。研究結果表明
，連續數字光處理3D打印技術在個性化珠寶配飾及裝飾、藝術創作等領域有著比較廣闊的應用前景。

◎實習記者 都 芃

五彩繽紛的蝴蝶翅膀、光鮮靚麗的孔雀羽毛、閃耀著金屬光澤的昆蟲甲殼……點綴著這些大自然奇妙傑作的並非普通色素，而是光與光子晶體結構發生散射、幹涉
、衍射等作用後形成的結構色。

光(guang)子(zi)晶(jing)體(ti)是(shi)由(you)不(bu)同(tong)折(zhe)射(she)率(lv)介(jie)質(zhi)周(zhou)期(qi)性(xing)排(pai)列(lie)而(er)形(xing)成(cheng)的(de)光(guang)學(xue)超(chao)材(cai)料(liao)，也(ye)被(bei)稱(cheng)為(wei)光(guang)學(xue)半(ban)導(dao)體(ti)。通(tong)過(guo)設(she)計(ji)和(he)製(zhi)造(zao)光(guang)子(zi)晶(jing)體(ti)材(cai)料(liao)及(ji)相(xiang)關(guan)器(qi)件(jian)來(lai)控(kong)製(zhi)光(guang)子(zi)運(yun)動(dong)，並(bing)在(zai)此(ci)基(ji)礎(chu)上(shang)進(jin)一(yi)步(bu)實(shi)現(xian)光(guang)子(zi)晶(jing)體(ti)材(cai)料(liao)的(de)各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)，是(shi)人(ren)們(men)長(chang)久(jiu)以(yi)來(lai)的(de)夢(meng)想(xiang)。

近日，中國科學院化學研究所綠色印刷院重點實驗室研究員宋延林、副研究員吳磊等研究人員組成的研究團隊利用連續數字光處理（DLP）3D打印技術
，實現了具有明亮結構色的三維光子晶體結構製備
，為創新結構色製備方法及擴展3D打印的應用開創了新的途徑。

創新方法，讓光子晶體精準“生長”

光子晶體作為未來光子產業發展的基礎性材料，其獨特的三維光學控製能力使其在集成光學元件、光子晶體光纖及高密度光學數據儲存等領域都有廣闊的應用前景。3D打印技術近年來的成熟發展，也使其成為最好的光子晶體製備手段之一。

宋延林向記者介紹，雖然近年來有一些將3D打印技術應用於多種圖案化光子晶體製備的案例，但普通的3D打印技術因為墨水中樹脂的光固化速度和納米粒子組裝速度的差異，存在結構色效果較差、打印精度較低
、nanyishixianfuzasanweijiegoudengwenti。shangshufangfazhibeideduozhongtuanhuaguangzijingtijuyoubiaomianxingmaocucaohebaozhendujiaochadengquexian
，nanyibeiguangfanyingyongyuguangxueqijianzhong。

要實現高精度、高保真的光子晶體結構3D打印，就必須要開拓出新的方法。此次研究中，研究團隊使用了連續數字光處理3D打印技術。與常見的將原材料層層擠出

、堆疊而成的3D打印技術不同，連續數字光處理3D打印技術基於光敏樹脂材料在紫外線照射下會快速固化的特性，利用紫外線光束在光敏樹脂溶液中雕刻形成3D結構。

此次研究團隊所采用的連續數字光處理3D打印方法主要的打印步驟如下：首先，在透明基板上滴上墨水，將墨水上方的成型平麵緩緩下降，與墨水進行接觸；接下來
，通過基板下方的光束將打印圖案照射在墨水上；之後
，受到紫外線照射的墨水會凝固成預先設計好的形狀。一滴滴小小的墨水被“雕刻”為一個3D光子晶體結構，其整個產生的過程仿佛是從基板上“生長”出來。

宋延林表示，研究團隊所采用的連續數字光處理3D打印技術主要在兩方麵上取得了重要改進。

在打印模式上，市麵上的光固化連續數字光處理3D打印技術大都是層層打印，打印速度較慢。研究團隊研發出的低黏附光固化界麵，讓液滴與基底之間的粘附力極低，打印過程沒有任何“拖泥帶水”，能夠實現迅速連續打印成型，極大地提升了打印的速度。

在成型方式上，市麵上的光固化連續數字光處理3D打(da)印(yin)技(ji)術(shu)通(tong)常(chang)要(yao)采(cai)用(yong)液(ye)槽(cao)來(lai)盛(sheng)裝(zhuang)大(da)量(liang)液(ye)態(tai)樹(shu)脂(zhi)。采(cai)用(yong)液(ye)槽(cao)來(lai)盛(sheng)裝(zhuang)大(da)量(liang)液(ye)態(tai)樹(shu)脂(zhi)的(de)方(fang)式(shi)導(dao)致(zhi)在(zai)連(lian)續(xu)打(da)印(yin)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，不(bu)該(gai)固(gu)化(hua)的(de)區(qu)域(yu)因(yin)為(wei)受(shou)到(dao)照(zhao)射(she)而(er)固(gu)化(hua)，不(bu)僅(jin)造(zao)成(cheng)原(yuan)材(cai)料(liao)的(de)大(da)量(liang)浪(lang)費(fei)，也(ye)降(jiang)低(di)了(le)連(lian)續(xu)打(da)印(yin)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)及(ji)分(fen)辨(bian)率(lv)。研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)摒(bing)棄(qi)了(le)液(ye)槽(cao)，而(er)是(shi)以(yi)單(dan)墨(mo)滴(di)為(wei)成(cheng)型(xing)單(dan)元(yuan)，通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)固(gu)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)氣(qi)、固

、液(ye)三(san)相(xiang)接(jie)觸(chu)線(xian)
，顯(xian)著(zhu)減(jian)少(shao)了(le)液(ye)體(ti)樹(shu)脂(zhi)在(zai)固(gu)化(hua)結(jie)構(gou)表(biao)麵(mian)的(de)殘(can)留(liu)。同(tong)時(shi)

，以(yi)單(dan)墨(mo)滴(di)為(wei)成(cheng)型(xing)單(dan)元(yuan)還(hai)降(jiang)低(di)了(le)界(jie)麵(mian)粘(zhan)附(fu)，增(zeng)加(jia)了(le)液(ye)體(ti)內(nei)部(bu)樹(shu)脂(zhi)的(de)流(liu)動(dong)，顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)了(le)3D打印的精度和穩定性。

克服困難，逐個擊破墨水難題

除了創新打印方式
，此次研究中，研究團隊對打印所需的墨水也進行了大膽革新。“我們這次研究中最困難的環節就是打印墨水的開發。”宋延林表示。

針zhen對dui上shang述shu問wen題ti
，研yan究jiu團tuan隊dui創chuang造zao性xing地di研yan發fa出chu了le利li用yong氫qing鍵jian輔fu助zhu的de膠jiao體ti顆ke粒li墨mo水shui，賦fu予yu了le打da印yin結jie構gou高gao質zhi量liang的de結jie構gou色se與yu光guang子zi晶jing體ti特te性xing。研yan究jiu團tuan隊dui研yan發fa的de墨mo水shui由you三san部bu分fen組zu成cheng：實現三維結構構建的光固化單體和光引發劑
、保證結構色的納米顆粒、減少光散射的添加劑。

在zai單dan體ti的de選xuan擇ze和he引yin發fa劑ji合he成cheng上shang
，考kao慮lv到dao環huan保bao要yao求qiu，研yan究jiu團tuan隊dui合he成cheng的de墨mo水shui為wei水shui性xing體ti係xi。但dan由you於yu目mu前qian廣guang泛fan使shi用yong的de引yin發fa劑ji大da多duo為wei油you溶rong性xing，少shao數shu水shui溶rong性xing的de引yin發fa劑ji又you與yu3D打da印yin所suo采cai用yong的de光guang波bo波bo長chang不bu匹pi配pei
，光guang引yin發fa效xiao率lv較jiao低di。為wei了le能neng夠gou得de到dao較jiao高gao光guang引yin發fa效xiao率lv的de水shui溶rong性xing引yin發fa劑ji
，團tuan隊dui查zha閱yue了le大da量liang文wen獻xian並bing進jin行xing了le反fan複fu的de摸mo索suo實shi驗yan
，最zui終zhong成cheng功gong合he成cheng出chu了le水shui溶rong性xing的de光guang引yin發fa劑ji。

chuleyinfaji
，guangguhuadantidexuanzegengjiazhiguanzhongyao。songyanlinbiaoshi
，hegedeguangguhuadantibixumanzujinengshixiansanweijiegouhua
，youbunengzaidayinguochengzhongyinqijuhewuhenamikelidexiangfenlidetiaojian。lunwendiyizuozhezhangyubiaoshi，“最終我們找到了丙烯酰胺這種適合的單體。”

xuandingdantihou，haixuquedingguangguhuadantiyunamikelidebili。ruguoguangguhuadantijiaoshao，jiuhuiwufadayin。fanzhi

，ruguoguangguhuadantitaiduo，zehuiyingxiangnamikelideyundonghefensan
，jineryingxiangjiegousedezhiliang。tuanduijingguodaliangshiyan
，duiduozhongbutongdebilizuhefanfuchangshi，zuizhongquedinglezuijiabili。

最後
，為了減少光的散射對打印過程的影響
，盡可能地提高打印結構的色彩飽和度，在添加劑的選擇上
，團隊嚐試了包括碳納米管、碳納米纖維以及黑色墨水等多種材料。但上述材料均存在種種缺陷，研究團隊最終將經過特殊處理的炭黑作為添加劑。

前景廣闊，讓結構色“五彩斑斕”

在此次研究中
，研究團隊發現

，視角
、膠體顆粒粒徑以及打印速度等因素都會影響3D結jie構gou色se的de呈cheng現xian。當dang膠jiao體ti顆ke粒li粒li徑jing和he打da印yin速su度du不bu變bian時shi
，隨sui著zhe視shi角jiao增zeng加jia，結jie構gou色se藍lan移yi
，即ji從cong橙cheng色se轉zhuan變bian為wei黃huang綠lv色se，最zui後hou轉zhuan變bian為wei藍lan紫zi色se。這zhe種zhong視shi角jiao依yi賴lai的de特te性xing，使shi得de連lian續xu數shu字zi光guang處chu理li3D打印技術在個性化珠寶配飾及裝飾、藝術創作等領域有著比較廣闊的應用前景。

除了視角變化會影響結構色的呈現外，當打印速度固定時，控製固定膠體顆粒粒徑、調節打印速度，都可以得到覆蓋可見光範圍的係列結構色。采用順序切片、依次投影、分段打印的方式
，還可使同一物體結構上呈現出多種結構色。

除了實現“信手拈來”般地製備結構色
，研究團隊利用此種連續數字光處理3D打印技術製備出的多種具有光滑內外表麵、低光學損耗及顏色選擇性的線性光傳輸和非線性光傳輸3Djiegou，yeyanzhenglegaifangfazaizhizaogaoxiaoguangxuechuanshuqijianfangmiandeduteyoushi。songyanlinbiaoshi，weilaiyanjiutuanduihuizaiguangzijingtigongnengqijiandezhibeifangmianjixujinxingxindetansuo。