科學家開發(fā)出3D打印液晶墨水！實現(xiàn)不同光學效果，有望用于顯示技術

CINNO

2021年9月11日 12:06

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CINNO Research產業(yè)資訊，近日，科學家開發(fā)出一種可以反光、并能夠用3D打印的液晶墨水。這里的液晶可以是傳統(tǒng)的膽甾型液晶——一種用于電視和智能手機的人造材料，具有介于液態(tài)和固態(tài)晶體之間的特性。這一研究成果可以實現(xiàn)可調顏色設計，有望用于從可穿戴傳感器到裝飾照明的一系列應用。特別有吸引力的是，這種墨水比以前的液晶墨水具有更高的粘度，這一特性也讓它更適合用于3D快速打印。

據外媒Techxplore報道，埃因霍溫理工大學 (TU/e)的一個研究小組與荷蘭應用科學研究組織 (TNO)、荷蘭跨國公司 (DSM)、Brightlands材料中心和SABIC的科學家合作，基自組裝手性光子結構創(chuàng)造了一種液晶彈性體墨水。這種特殊的墨水可以通過DIW (Direct Ink Writing)形式的快速3D打印方式打印在對象表面。

“DIW是一種基于擠出方案的快速3D打印方案，這種方案中，墨水從非常小的噴嘴逐層印刷到表面上，”TU/e研究員Jeroen Sol說，“目前的膽甾型液晶墨水還不能用于DIW打印，但是我們現(xiàn)在創(chuàng)造了一種可用于DIW方案的液晶墨水。”

這種墨水中的光反射特性決定于整個材料中分子的精確螺旋排列，而這種排列正是研究人員通過微調印刷實現(xiàn)的。

“為了能夠成功使用DIW打印這種新的墨水，我們調整了打印速度和溫度等參數，”Sol 說。

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據介紹，研究人員最終以非常高的精度控制了上述納米級材料的分子排列，并進一步通過調整打印速度控制了材料的外觀和光反射特性。這里，調整打印速度和寫入方向可以通過對材料光軸調整而改變反射顏色和偏振性，這意味著研究人員可以按自己目標“編程”這種手性光子聚合物材料。

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圖1. 研究人員通過3D打印方案將光子膜涂覆在柔性塑料基板上，顯示出軸向不對稱的顏色反射和基于入射角的可變圓偏振選擇性

為了進一步確保墨水可以按目標正確打印，該研究團隊使用低分子量液晶作為墨水材料。該墨水中的分子會自組裝成預定結構，進而顯示出與自然界中發(fā)現(xiàn)的彩虹色相似的顏色。

“傳統(tǒng)上，這種層面的控制只能通過非常專業(yè)的制造設備才能實現(xiàn)，因此使用我們的新墨水和DIW 3D打印方案能做到這一點是一個真正的突破，”Sol 說。

在材料科學模仿自然的一個例子中，研究人員利用這種技術打印合成了蝴蝶翅膀。這對蝴蝶翅膀可以模仿生物界蝴蝶身上看到的彩虹色，甚至連不同角度觀察時出現(xiàn)的顏色變化也可以栩栩如生地模仿。

在使用棒式涂層制作10 cm2數量級的薄膜后，研究人員進一步使用DIW方案生成了一套復雜地、具有特定空間定義的光學圖案，這其中他們通過改變沉積速率調整了墨水的手性特性。

盡管膽甾型液晶的特性可用于許多應用，但其傳統(tǒng)形式的材料粘性不夠，無法形成穩(wěn)定的固體結構，而且很難排列其分子以產生特定顏色。不過現(xiàn)在，研究人員開發(fā)出的這種液晶墨水兼具了非常高的粘度。

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圖2. 研究人員利用上述液晶墨水開發(fā)出的蝴蝶展示品

從基材上移除后，上述蝴蝶結構的彈性體在拍攝時呈現(xiàn)出獨立的光子橡膠形態(tài)。該墨水將簡單的處理與在逐個體素的基礎上自由選擇反射光的虹彩和圓偏振相結合，可用于制造一些能夠與佩戴者進行視覺交互的可穿戴生物傳感器。

“更重要的是，我們的新墨水可以很好地和DIW 3D打印技術組合，進而可以用于打印增強現(xiàn)實頭戴式設備所需的很多專用光學結構，”Sol 說，“另外，這種新材料還可以助力Hololenses在未來展現(xiàn)更吸引人地性能。”

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