麻省理工学院的研究人员用3D打印胶体晶体

【据麻省理工学院网站2018年8月30日报道】麻省理工学院的工程师们开发了一种打印胶体的新技术，将自组装和3D打印的原理结合在了一起。通过直写胶体装配过程，研究人员可以构建厘米高的晶体，每一个晶体都是由数十亿个胶体构成的。

胶体是悬浮在液体或气体中的大分子或小颗粒，通常直径在1nm到1μm之间。日常胶体中的颗粒的大小和它们通过溶液分散的方式完全是随机的。如果均匀大小的胶体颗粒通过液体溶剂的蒸发作用聚集在一起，使它们组装成有序的晶体，就有可能创造出整体上具有独特光学、化学和机械性能的结构。到目前为止，科学家们已经开发出一种技术，可以将胶体微粒蒸发并组装成薄膜，从而形成可以滤光的显示屏，该显示屏能根据单个微粒的大小和排列方式产生颜色。但到目前为止，这种胶体组装仅限于薄膜和其他平面结构。

另外，研究人员定制了一种新的3D打印设备，在两块加热的铝板上安装了一个玻璃注射器和针头，针穿过顶板上的孔，将胶体溶液分散到附着在底板上的基板上。这样只要将两块铝板均匀加热，当针头在胶体溶液中分散时，液体会慢慢蒸发，只留下颗粒。底部的盘子可以旋转和上下移动，以操纵整体结构的形状。运用这种方法，研究人员制造出微小的三维胶体粒子塔。

作为胶体打印技术的第一个演示，该研究团队使用聚苯乙烯颗粒在水中的溶液创建了厘米高的塔和螺旋。他们测试了含有不同大小的聚苯乙烯颗粒的溶液，并能够根据不同颗粒的大小打印出反映特定颜色的塔。该团队还尝试了其他的胶体颗粒，即二氧化硅和金纳米颗粒，它们具有独特的光学和电子特性。他们打印了由200nm直径的二氧化硅纳米粒子和80nm金纳米粒子组成的毫米高的塔，每个塔都以不同的方式反射光线。

研究人员表示3D打印技术可以作为一种构建自组装材料的新方法，可以用不同种类的粒子，如导电金属粒子、半导体量子点等，将它们组合成不同的晶体结构，并将它们形成不同的几何形状，用于新型器件结构，这将在传感、储能和光子学等领域非常有效。

该研究由美国国家科学基金会、新加坡国防科学组织研究生奖学金和国防科学与工程研究生奖学金项目的支持。相关研究论文《Direct‐Write Freeform Colloidal Assembly》已发表在Advanced Materials上。