剛性光子微粒3D打印構建承重結構
當前結構色作為環保替代顏料，雖耐光、濕度和溫度，但傳統膠體自組裝生產光子結構放大困難，加工成復雜3D結構也具挑戰性。瑞士洛桑聯邦理工學院Esther Amstad教授團隊與美國賓夕法尼亞大學Jong Bin Kim、韓國KAIST的Seong Kyeong Nam和Shin-Hyun Kim合作，將剛性光子微粒與軟微凝膠制成墨水，通過直接墨水書寫技術在室溫3D打印，形成機械和光學性能局部變化的宏觀結構。該團隊還通過設計實驗優化打印精度，構建雙網絡增強承重能力，實現溫度響應功能。相關工作以“3D Printing of Stiff Photonic Microparticles into Load〣earing Structures”為題發表在《Small》上。
研究內容
通過平行微流控裝置制備單分散pETPTA微粒、渦流法制備pAMPS微凝膠，混合后離心制得可打印墨水，用生物打印機在室溫下擠出成型，研究3D打印復雜厘米級結構的工藝，結果表明含98%剛性微粒和2%軟微凝膠的墨水可打印77層巖石手結構，打印速度2–5毫米/秒，總耗時約1小時且無塌陷。
通過對比pETPTA微粒與pAMPS微凝膠直徑（小于、相似、大于），觀察打印時團聚和堵塞情況，研究顆粒尺寸匹配對墨水流變性能的影響，結果表明當pETPTA直徑至少為pAMPS兩倍時（如130μm微粒配5–40μm微凝膠），墨水剪切稀化好，打印擴散率低至15±6%且無噴嘴堵塞。
通過Box-Behnken設計調整AMPS濃度、MBAA交聯劑濃度、pAMPS微凝膠重量分數、pETPTA直徑，建立擴散率經驗模型，研究各因素對打印精度的影響權重，結果表明MBAA濃度影響最大（每增1wt.%擴散率降31±3%），優化后墨水擴散率可低至20±5%，且微粒直徑與MBAA濃度存在交互作用。
通過頻率掃描、振幅掃描和應變恢復測試，分析Ink A和Ink B的儲能模量、流動點和自愈合能力，研究剛性微粒對墨水機械性能的增強作用，結果表明含98%pETPTA的Ink A儲能模量達14900Pa，是純pAMPS墨水3倍，應變恢復迅速適合3D打印。
通過浸泡墨水于丙烯酰胺溶液、紫外聚合形成第二網絡，制備狗骨狀樣品進行拉伸壓縮測試，研究剛性微粒對水凝膠承重能力的提升，結果表明pETPTA-DNGH材料Young’s模量157–190kPa，可承受7000倍自身重量，拉伸時微粒重排致局部發白。
通過改變pAMPS微凝膠重量分數、MBAA濃度及第二網絡交聯劑含量，測試材料應力-應變曲線，研究各組分對機械性能的獨立影響，結果表明微凝膠剛度主導材料剛度，MBAA濃度從2wt.%增至6wt.%時剛度提升370%，第二網絡交聯劑主要影響斷裂應變。
通過交替使用軟硬微凝膠墨水，打印毛毛蟲和三葉草狀光子結構，研究機械性能梯度和光學性能的空間調控，結果表明毛毛蟲因軟硬區域差異可定向變形，三葉草含13vol%SiO₂NPs呈現明亮藍色，微粒直徑110±15μm。
通過渦流乳化含33vol%SiO₂NPs的ETPTA分散液、紫外聚合形成多分散光子微粒，與pAMPS微凝膠混合后打印蝴蝶，研究高濃度納米顆粒下的打印可行性，結果表明用150nm和180nmSiO₂NPs可獲藍綠結構，打印蝴蝶反射率峰值35%且無虹彩效應。
通過將pETPTA光子微粒與溫敏pNIPAM微碎片混合，浸泡于NIPAM溶液后紫外聚合制備圓柱狀傳感器，研究溫度對結構色的可逆調控，結果表明23℃時結構色明亮，36℃時pNIPAM脫水變半透明致反射率降10%，冷卻后顏色恢復。
研究結論
本研究開發了一種由剛性光子pETPTA微粒和軟pAMPS微凝膠組成的顆粒墨水，可3D打印成具有局部變化機械和光學性能的厘米級結構。打印精度主要取決于pAMPS微凝膠的剛度及其在墨水中的重量分數。通過在微凝膠中加載水凝膠前體并聚合，形成第二滲透網絡，使顆粒結構剛性化，得到機械穩定的雙網絡顆粒水凝膠（pETPTA-DNGHs），其剛度由pETPTA重量分數和微凝膠剛度決定，斷裂應變則主要取決于第二網絡。本研究還通過將pAMPS微凝膠替換為溫敏pNIPAM碎片，賦予顆粒光子結構溫度響應性。該墨水可用于制備防偽材料、智能傳感器及可變形結構等。
文章來源：
https://doi.org/10.1002/smll.202501172
(責任編輯：admin)
重磅匯總！2025上半年Scie
航空航天結構合金攪拌摩擦
直接墨水書寫3D打印纖維素
新一代創新制造技術：劍橋
COBOD推出多功能建筑3D打
突破性生物3D打印
迪拜LEAP 71公司
3D生物打印構建內
《Small Science
南洋理工-劍橋大
清華大學：抗拉強
