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变色液晶墨水为3D打印材料开辟了新天地

发布时间:2021-08-23    

埃因霍温理工大学(TUE) 的科学家开发了一种与 3D 打印技术兼容的新型变色液晶墨水,开辟了新天地。这种受自然启发的液晶墨水可以使用直接墨水书写打印到表面上,这是一种基于挤出的极其精确的 3D 打印形式。到目前为止,将此类材料打印成复杂的结构和设备非常困难,因此该团队认为其工作可能对装饰照明、用于健康监测的软可穿戴传感器,甚至增强现实光学等应用产生重大影响。

该研究的主要作者 Jeroen Sol 表示:“DIW 是一种基于挤出的 3D 打印方法,其中墨水从一个小喷嘴逐层分配到表面上。当前的胆甾型液晶墨水无法使用 DIW 打印,因此我们创造了一种与 DIW 兼容的液晶墨水。”

胆甾型液晶

在自然界中,根据观察角度改变颜色的材料称为虹彩材料。典型的例子是某些蝴蝶翅膀、珠宝甲虫的外表,以及一种被称为珍珠层(又名珍珠母)的材料,它存在于软体动物的贝壳内部。

我们还有一种人造的替代材料,称为胆甾型液晶,这种材料同时具有液态和固态晶体的特性。胆甾型液晶以及在 LCD 中的使用,在光反射器、可切换窗户甚至太阳能电池板中作为智能材料具有先进的应用。

不幸的是,胆甾型液晶的粘性不足以制成固体结构,因此到目前为止还无法将它们用于 3D 打印等先进制造工艺,从而在一定程度上限制了它们的应用。TUE 的研究人员开发了一种定制的反光液晶墨水,克服了这一障碍,这种墨水可以挤出并仔细排列以产生复杂的颜色渐变。

一种可 3D 打印的液晶墨水

埃因霍温墨水的反射质量取决于材料分子的精确螺旋排列,可以在打印过程中通过改变打印速度等参数来密切控制。墨水的分子还能够自组装成模仿天然彩虹色材料的结构,这意味着完全有可能实现受自然启发的颜色变化。此外,墨水易于生产且具有粘性,因此易于通过直接墨水书写进行处理。

Sol 补充道,“为了使用 DIW 成功打印新墨水,我们改变了打印速度和温度等参数。为了让墨水正确打印,我们还制作了一种含有低分子量液晶的墨水。传统上,这种控制水平只能通过非常专业的制造设备才能实现,因此使用新墨水和 DIW 3D 打印来实现这一点是一个真正的突破。”

尽管到目前为止这种墨水仅用于打印变色蝴蝶,但 Sol 相信它可以应用于个性化医疗设备,例如视觉动态可穿戴生物传感器。这种墨水还可能在增强现实耳机的光学结构中具有潜在应用。

Sol 总结道:“新材料可以找到进入未来 HoloLenses 的途径——现在这将是非凡的事情!”

该研究的更多细节可以在题为“直接墨水书写的手性光子聚合物中的各向异性彩虹色和偏振模式”的论文中找到。它由 Jeroen Sol 等人合着。

3D 打印材料的创新是推动功能性增材制造应用发展的主要因素。本月早些时候,来自新加坡南洋理工大学 (NTU)和加州理工学院(Caltech) 的科学家们3D 打印了一种可根据需要变硬的柔性链甲织物。由相互联锁的尼龙塑料聚合物八面体 3D 打印而成,这种织物可以变成刚性结构,其硬度是其松弛形式的 25 倍。

在其他地方,士兵纳米技术研究所(ISN) 最近使用纳米级的 3D 打印技术来形成一种材料,据报道,这种材料在阻止射弹方面比 Kevlar 或钢更有效。这种材料比一根人的头发还细,由微小的碳支柱制成,这些支柱形成相互连接的十四面体——具有 14 个面的结构——通过双光子光刻制造。


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