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|手握“瓶刷”，给你“3D打印”点颜色看看


本文来自微信公众号：X-MOLNews
与五颜六色的花朵类似 ， 蝴蝶或者变色龙等动物经常表现出鲜艳的颜色 ， 不过这两种现象还有所区别 。 花朵的颜色多来自色素 ， 色素吸收或者反射特定波长的光产生色彩；而蝴蝶或者变色龙的颜色源于这些生物体表的细微结构——比如纳米“光子晶体”（ photonic crystal ， PC）——对光的散射、衍射和干涉等 ， 这种现象也就是所谓的“结构色” 。 结构色有很多优势 ， 比如不易褪色、不怕水洗、颜色可调等 。 不过 ， 使用目前流行的3D打印技术还无法方便快捷的实现结构色 。
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变色龙 。 图片来源于网络
近日 ， 美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）Ying Diao课题组在Science Advances杂志上发表论文 ， 仅使用一种“墨水”就可3D打印绚丽多彩的结构色 。 该工作的关键之处 ， 是他们所用“墨水”中一种被称为“瓶刷共聚物”的高分子材料 。
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3D打印彩色变色龙图像 。 图片来源：Sci. Adv.
“瓶刷共聚物”是一种支化或接枝聚合物 ， 在主链骨架上附着高接枝密度的侧链 ， 呈现出类似瓶刷的形状 。 由于其独特的结构 ， 可以组成复杂但却高度有序的物质 ， 通过对单体的选择和合成过程的控制 ， 能够设计制备尺寸、形状以及组成确定的“DIY纳米材料” 。 因此在许多领域 ， 如表面活性剂、光子晶体、涂层和纳米医学等 ， 有着广泛的研究和应用潜力 。
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三种“瓶刷共聚物”的结构示意图 。 图片来源：Chem. Soc. Rev. [1]
研究者利用开环易位聚合法（ROMP） ， 分步制备了瓶刷状接枝共聚物PDMS-b-PLA ， 其中 ， 聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚乳酸（PLA）各占50% ， 且凝胶渗透色谱（GPC）分析显示 ， 分子量分布很窄 。
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PDMS-b-PLA瓶刷共聚物的制备 。 图片来源：Sci. Adv.
将共聚物白色固体粉末（上图E）溶解在四氢呋喃（THF）中 ， 配置成100 mg/mL的溶液 ， 这就是打印所需要的“墨水” 。 在溶液中 ， 瓶刷聚合物的支链会相互缠在一起 ， 形成胶束；当溶液通过滴涂法成膜时 ， 溶剂蒸发 ， 聚合物分子间发生微观相分离 ， 形成有序的层状结构 ， 因此产生出显著的随机颜色 。
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“瓶刷共聚物”溶液干燥后的薄膜显色 。 图片来源：Sci. Adv.
瓶刷共聚物可以呈现出五彩斑斓的颜色 ， 还可以通过打印速度、施加压力和衬底温度来进行控制 ， 换句话说 ， 这些因素影响着聚合物的微观相分离过程 。 研究者将“墨水”装入3D打印机 ， 在30 kPa的压力下 ， 通过调节基底温度（25 °C、50 °C和70 °C）和打印速度（15至480 mm/min） ， 获得了二维的颜色矩阵 。 打印线条显示出一致的颜色 。 不过 ， 在打印开始时和拐角处 ， 可以看到轻微的变色（下图C） 。
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【|手握“瓶刷”，给你“3D打印”点颜色看看】

3D打印复杂结构色 。 图片来源：Sci. Adv.
3D打印的结构色具有较宽的范围（从403 nm的蓝光到626 nm的红光） 。 通过对3D打印机编程 ， 就能够得到更加复杂的图案 。 研究者通过调节打印速度、压力（35 kPa）和温度 ， 在硅晶圆上印制了三条不同颜色的变色龙（上图D） ， 以及一条拥有三种颜色的变色龙（上图E） 。


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