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  自然界中存在著絢麗多彩的顏色，在這些顏色中，有一類特殊的顏色源自于生物身上的特殊有序的微納結(jié)構(gòu)（如大藍閃蝶、變色龍等），這類顏色被稱為“結(jié)構(gòu)色”，而這類具有特殊有序微納結(jié)構(gòu)的材料被稱為光子晶體。受這些生物的微納結(jié)構(gòu)啟發(fā)，人們開發(fā)了一系列的光子晶體材料，并應(yīng)用到不同的領(lǐng)域中，如低損耗波導(dǎo)、動態(tài)顏色顯示、激光設(shè)備、高性能傳感器件、特殊染料和涂料、智能防偽標(biāo)簽等。膠體光子晶體是一類由單分散微/納米粒子（膠體粒子）組裝而成的光子晶體，由于其成本低廉、制備簡單等優(yōu)勢近年來備受青睞。為滿足面向各種應(yīng)用的個性化需求，要求膠體光子晶體擁有獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而能夠滿足應(yīng)用中的功能需求。然而，目前的膠體光子晶體制備技術(shù)大都只能實現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)或簡單三維結(jié)構(gòu)，還鮮有技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)具有任意設(shè)計的、復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的膠體光子晶體。

  3D打印，又被稱為增材制造，是近年來發(fā)展起來的一種能夠靈活設(shè)計并制備具有復(fù)雜3D幾何結(jié)構(gòu)材料的新興技術(shù)。與此同時，結(jié)合納米材料和3D打印技術(shù)，人們能夠制備出常規(guī)制備技術(shù)或3D打印技術(shù)所不能實現(xiàn)的具有特殊功能的3D材料。然而，目前也鮮有技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)納米材料在3D打印結(jié)構(gòu)中的長程有序排列。

  近日，哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授課題組聯(lián)合東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點實驗室顧忠澤教授課題組，設(shè)計并開發(fā)了一種可供3D打印的膠體光子晶體墨水，并結(jié)合數(shù)字光處理（Digital light processing，DLP）打印技術(shù)，成功制備了同時具有宏觀復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)和微觀亞微米尺度有序結(jié)構(gòu)的膠體光子晶體。此外，通過對打印體系中墨水組分、打印參數(shù)等的調(diào)節(jié)，作者實現(xiàn)了對所打印物體的3D結(jié)構(gòu)、光學(xué)及力學(xué)性能、刺激響應(yīng)性等的輕松控制。這種3D打印膠體光子晶體的技術(shù)能夠輕松制備具有多重功能的膠體光子晶體，從而進一步模擬自然界中某些結(jié)構(gòu)色生物的復(fù)雜層級結(jié)構(gòu)和顏色操縱的策略，使得這些3D打印膠體光子晶體在智能彩色顯示器件、3D集成傳感器、仿生變色軟體機器人等領(lǐng)域中的應(yīng)用變?yōu)榭赡堋?/span>

  首先，作者開發(fā)了一種高帶電的柔性膠體粒子，并結(jié)合該膠體粒子和可光固化的水凝膠，制備了一種可供3D打印的膠體光子晶體（圖1）。

 圖1. 3D打印膠體光子晶體的設(shè)計原理及可打印膠體光子晶體墨水的表征。

  接下來，作者探究了3D打印膠體光子晶體的力學(xué)性能和特殊光學(xué)性能，并觀察到，相較于傳統(tǒng)的具有2D宏觀結(jié)構(gòu)的膠體光子晶體，他們制備的3D膠體光子晶體由于具備復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，擁有著更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)色角度有偏特性（圖2）。

  另外，結(jié)合具有熱響應(yīng)的特殊水凝膠poly(N-isopropyl acrylamide) （PNIPAM），作者開發(fā)出了具有靈敏且可逆熱響應(yīng)性的3D膠體光子晶體（圖3）。

  通過對打印結(jié)構(gòu)的設(shè)計和不同組分墨水的使用，作者還開發(fā)出了形貌和結(jié)構(gòu)色能夠同時隨溫度變化的4D打印膠體光子晶體（圖4）。而通過對墨水以及打印參數(shù)的特殊設(shè)計，作者還實現(xiàn)了多色的且顏色可調(diào)的圖案化膠體光子晶體的制備（圖5）。

  該文章以題目“3D-Printable Colloidal Photonic Crystals”發(fā)表在雜志《Materials Today》 （DOI：10.1016/j.mattod.2022.02.014）上。哈佛醫(yī)學(xué)院訪學(xué)東南大學(xué)廖俊龍博士、蘇州科技大學(xué)葉常青教授為論文的共同第一作者，論文作者還包括來自墨西哥、印度、美國、新加坡等高校院所研究人員，通訊作者為哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授和東南大學(xué)顧忠澤教授。