通过收缩光子晶体对3D微尺度物体进行结构彩色打印

在最近发表在《自然通讯》上的一份报告中，由新加坡科技设计大学(SUTD)副教授乔尔·杨(Joel Yang)领导的研究小组打印了埃菲尔铁塔中最小的彩色3D模型。令人印象深刻的是，没有使用颜料或油墨。取而代之的是，埃菲尔铁塔的3D打印模型(在39微米处测量不到人类头发的一半宽度)由于光线与支撑模型的纳米结构相互作用的方式而呈现出多种颜色。3-D模型由精细印刷的透明聚合物网格制成，形成光子晶体。这些主要是中空的设计在加热以产生多种颜色时，尺寸会明显缩小约5倍。

杨教授说：“ 研究界非常兴奋地进一步开发不是从动植物提取的可持续颜色来源。如果我们生产的产品可以通过对其材料进行纳米纹理化而获得颜色，那该怎么办?本身是由什么制成的?某些蝴蝶和甲虫已经进化成可以做到这一点，也许我们也可以学会做到这一点。” 与依靠化学成分的颜料和染料相比，结构颜色具有高分辨率，永久性和生态友好性。

在自然界中，一些蝴蝶，Pachyrhynchus象鼻虫和许多变色龙的着色是使用光子晶体产生彩色图案的天然生物的显着示例。光子晶体结构反射鲜艳的色彩，其色调取决于其晶格常数。为了反射鲜艳的色彩，光子晶体的晶格常数必须足够小。例如，在蝴蝶翅膀上的晶格常数仅为〜280 nm，产生蓝色调。由于当前3D打印分辨率的限制，以这种微观长度尺度在所有三个维度上打印任意颜色和形状是一个挑战。

为了获得与蝶形鳞片相当的所需晶格常数尺寸，Yang教授小组的研究人员采用了“按收缩着色”的方法，该方法引入了附加加热步骤，以收缩使用商业化的双光子聚合光刻系统印刷的光子晶体，即Nanoscribe GmbH Photonic Professional GT。杨教授补充说：“挑战在于缩小这些纳米尺寸的结构而不使其聚结成斑点。通过图案化较大的结构，然后再缩小它们，我们生产出了无法用标准方法直接印刷的结构。”确实，木桩结构的重复线缩小到280 nm，几乎比机器规格小2倍。在热收缩的作用下，交联聚合物的折射率在加热过程中增加，这进一步有利于颜色的产生。

全彩色埃菲尔铁塔展示了使用“按缩色”方法在微米级上打印任意复杂的3D颜色对象的能力。由于可以自由设计缩小以适合特定颜色的3-D光子晶体，因此该技术将广泛应用于在可见光区域实现紧凑的光学组件和集成的3-D光子电路。

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