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这种胶体墨水可实现在任何表面“画画”,且不会褪色、变形

2021年12月20日

胶体晶体和玻璃是可调整的、彩虹色的、不褪色的和无毒的材料,可用于开发结构色彩。发表在《科学进展》上的一份新报告中,Jong Bin Kim和韩国的一个化学和先进材料研究小组利用胶体油墨开发了具有高亮度和高饱和度的直接书写结构性彩色图形。

 

该团队通过将二氧化硅颗粒分散在丙烯酸酯基树脂中来制备油墨,他们优化了体积分数以同时提供明显的颜色和令人满意的印刷流变性。使用这种油墨,他们可以直接在各种基材上书写任何宏观的线条设计,同时根据树脂的粘度将微观的胶体排列设定为晶体或非晶体,以控制颜色的虹彩。由此产生的图形可以进行表面转移、折纸或弹性拉伸,以提供一种具有多样性和调节性的直接书写方法。

 

生物启发的人工周期性纳米结构

 

大自然已经创造了周期性的纳米结构,以增强或减少动物在交配竞争或伪装时的可见度。生活在缺光环境中的植物可以利用纳米结构来提高其光合作用的效率。

 

研究人员受到大自然的启发,开发出具有可调控、彩虹色、不褪色、无毒的人工周期性纳米结构。结构颜色印刷可以通过设计、颜色组合和目标基材的类型来定制。在这项工作中,Kim等人描述了用胶体光子墨水直接写入可定制的结构色彩印刷。科学家们通过将二氧化硅颗粒分散在光固化树脂中,优化了油墨的配方,用于宏观印刷和微观胶体结构。使用这些油墨,他们绘制了线条和面孔,并可以直接在各种基材上书写多色图形,如玻璃、塑料、金属、纸张和一些织物。含有图形的纸张还可以折叠成折纸,并从基材上释放出来,以制备独立的薄膜,或将其转移到其他表面上,以创建用于多种用途的结构性彩色图形。

 

直接书写工艺可以沿着预定的轨迹沉积油墨材料,产生定制的图形和图案,而不需要掩模,以尽量减少宝贵的油墨的使用。该团队根据墨水的流变特性来控制印刷速度和图案分辨率,其中晶体或玻璃形式的明确的胶体排列是结构性色彩的前提条件。油墨配方对于直接书写结构性彩色图形以实现高分辨率、高质量、快速印刷非常重要。为了制造这种油墨,Kim等人在没有挥发性成分的情况下将单分散二氧化硅颗粒分散在丙烯酸酯基的光固化树脂中。然后,他们在丙烯酸酯树脂上使用碳黑纳米颗粒,以减少米氏散射。该团队筛选并优化了丙烯酸乙氧基化物(EA)树脂、丙烯酸苯醚(PEA)和丙烯酸聚氨酯(UA)树脂,并优化了EA和UA墨水的版本,以便在玻璃幻灯片上绘制埃菲尔铁塔的图形。在实验过程中,该小组将油墨装入一个锥形喷嘴进行喷射,同时喷嘴在喷嘴和玻片之间的100微米的间隙中水平移动。他们将书写速度保持在每秒8毫米,其中组成的结晶结构使得用EA(丙烯酸乙氧基化物)油墨打印的图形高度透明。

 

在基材上印刷线条和面孔

 

科学家们接下来在印刷实验中通过调整书写速度来调整线宽,以形成诸如 "生日快乐 "这样的草书文本。通过改变两种墨水(EA和UA)的压力和速度,他们可以写出具有可比性的线宽变化的文本。Kim等人并没有将目标表面限制在玻璃上,他们在各种非吸收性表面上绘制图形,包括塑料、金属和硅片。对于纸张等吸收性表面,他们设计了一个更高的喷射率,或更慢的打印过程。

 

该团队接下来通过融合并排绘制的线条来打印面孔。在85摄氏度的条件下,打印出来的面孔在光学上是均匀的,并在5分钟内沿着书写方向逐渐显示出彩色条纹。在UA油墨的整个热培养过程中,由于没有结晶,薄膜在光学上是均匀的。相对而言,使用EA油墨印刷的面孔在共振波长处的高反射率源于整个薄膜的高结晶度和均匀的晶体取向。科学家们使用该装置绘制了各种彩色图形。

 

多色印刷

 

Kim等人在没有光固化的情况下,在单一表面上依次使用不同颜色的油墨,并通过将大量的黑色纳米颗粒分散在已经含有二氧化硅颗粒的EA和UA油墨中来配制黑色油墨。较大的颗粒在可见区不显示结构共振,同时提供了印刷所需的流变特性。作为概念验证,科学家们使用蓝色的EA和UA油墨以及额外的黑色油墨印刷了一只莫泊桑蝴蝶和Troides urvillianus的图形。结果表明,一只莫泊桑蝴蝶具有闪亮的蓝色规则结构,一只T. urvillianus蝴蝶具有亚光蓝色和随机的球形包装。

 

研究小组同时用这些墨水画了一朵红玫瑰和绿叶,同时用黑色墨水来勾勒形状的轮廓。尽管使用EA墨水绘制的红玫瑰和叶子具有强烈的虹彩,但使用UA墨水绘制的红玫瑰和叶子却没有。Kim等人还用五种不同的油墨绘制了一个米老鼠图形,接着用六种不同的油墨和顺序印刷绘制了旧金山的金门大桥。他们用红色表示大桥的主机,用绿色和蓝色的EA表示前面和后面的电线,用蓝色表示海湾,用黑色表示鸟的部分,用白色表示鸟的翅膀。插图的所有部分都是彩虹色和透明的,除了用UA墨水绘制的海湾,它始终保持蓝色。

 

展望

 

通过这种方式,Jong Bin Kim及其同事开发了用粘弹性光子油墨直接书写结构性彩色图形。该团队优化了油墨的配方,以实现适合高印刷性的宏观流变特性,以及结构性色彩所需的微观胶体排列。研究小组探索了受控的直接书写方法,以直接在各种目标表面打印,包括玻璃、金属、纸张和织物,以提供前所未有的通用性和彩色图形。研究人员设想使用颜色可调的图形,这很像可穿戴显示器的变色龙皮肤。他们还提议开发刺激性反应贴片,作为温度、湿度、pH值和感兴趣的特定分子的直观比色指示器,应用于日常生活中。