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3Ddayinjishutongchangyaocaiyongyecaolaishengzhuangdaliangyetaishuzhi。caiyongyecaolaishengzhuangdaliangyetaishuzhidefangshidaozhizailianxudayinguochengzhong
，bugaiguhuadequyuyinweishoudaozhaosheerguhua，bujinzaochengyuancailiaodedalianglangfei，yejiangdilelianxudayinguochengzhongdewendingxingjifenbianlv。yanjiutuanduibingqileyecao，ershiyidanmodiweichengxingdanyuan，tongguokongzhiguhuaguochengzhongqi、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。

zhenduishangshuwenti
，yanjiutuanduichuangzaoxingdiyanfachuleliyongqingjianfuzhudejiaotikelimoshui
，fuyuledayinjiegougaozhiliangdejiegouseyuguangzijingtitexing。yanjiutuanduiyanfademoshuiyousanbufenzucheng：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(yu)3D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。

除chu了le引yin發fa劑ji
，光guang固gu化hua單dan體ti的de選xuan擇ze更geng加jia至zhi關guan重zhong要yao。宋song延yan林lin表biao示shi
，合he格ge的de光guang固gu化hua單dan體ti必bi須xu滿man足zu既ji能neng實shi現xian三san維wei結jie構gou化hua
，又you不bu能neng在zai打da印yin過guo程cheng中zhong引yin起qi聚ju合he物wu和he納na米mi顆ke粒li的de相xiang分fen離li的de條tiao件jian。論lun文wen第di一yi作zuo者zhe張zhang虞yu表biao示shi，“最終我們找到了丙烯酰胺這種適合的單體。”

選xuan定ding單dan體ti後hou，還hai需xu確que定ding光guang固gu化hua單dan體ti與yu納na米mi顆ke粒li的de比bi例li。如ru果guo光guang固gu化hua單dan體ti較jiao少shao
，就jiu會hui無wu法fa打da印yin。反fan之zhi
，如ru果guo光guang固gu化hua單dan體ti太tai多duo，則ze會hui影ying響xiang納na米mi顆ke粒li的de運yun動dong和he分fen散san
，進jin而er影ying響xiang結jie構gou色se的de質zhi量liang。團tuan隊dui經jing過guo大da量liang實shi驗yan
，對dui多duo種zhong不bu同tong的de比bi例li組zu合he反fan複fu嚐chang試shi，最zui終zhong確que定ding了le最zui佳jia比bi例li。

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3D結(jie)構(gou)，也(ye)驗(yan)證(zheng)了(le)該(gai)方(fang)法(fa)在(zai)製(zhi)造(zao)高(gao)效(xiao)光(guang)學(xue)傳(chuan)輸(shu)器(qi)件(jian)方(fang)麵(mian)的(de)獨(du)特(te)優(you)勢(shi)。宋(song)延(yan)林(lin)表(biao)示(shi)，未(wei)來(lai)研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)會(hui)在(zai)光(guang)子(zi)晶(jing)體(ti)功(gong)能(neng)器(qi)件(jian)的(de)製(zhi)備(bei)方(fang)麵(mian)繼(ji)續(xu)進(jin)行(xing)新(xin)的(de)探(tan)索(suo)。