仿生染色，复旦大学研究人员开发出更环保的3D打印彩色部件新方法
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发布于：2022-06-02
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2022年6月1日，来自复旦大学的研究人员开发了一种为3D打印部件添加颜色的新方法，据说这种方法生产的产品比传统的染色或色素要安全得多。
科学家们开发出了一种新型生物相容性墨水，所制备的部件能够通过感应热或光的刺激，以实现"结构着色"改变外观。研究团队表示，他们的墨水材料可用来打印可穿戴的生物传感器以及安全的儿童玩具。
研究团队在他们的论文中解释道："这种液晶墨水保持了一种胆固醇液态结晶状态，产生了结构性颜色，我们相信它可以实现新一代环境友好型的光固化3D打印。"
△一个3D打印部件在不同的热条件下改变颜色。图片来自《南华早报》。
克服传统染色的毒性
在我们的日常生活中，一些像头发和衣服染料类的消费产品，往往会导致用户的健康问题。可持续服装运动组织good on you甚至表示如今生产衣服中所使用的许多染料都是致癌的，例如"偶氮染料"。虽然这种臭名昭著的染料在欧盟已被禁止，但它们在全球的其他地方仍被广泛使用。。
受此启发，研究人员对用于3D打印长丝着色的颜料产生了兴趣。这些用于着色料丝的添加剂因材料而异，它们往往会因为富集而导致超过某一些浓度产生毒性。这就是为什么要进行如此广泛的研究，以确定零件是否符合食品或皮肤接触的 "安全性"，因为在这些领域有可能出现交叉污染。
也就是说，在许多情况下，熔融长丝制造的3D打印部件的颜色对其最终应用仍然至关重要，无论是逼真的临床模型还是桌面人物。因此，上海复旦大学、南京东南大学和中国科学院大学的研究人员寻求一种解决方案。如今，他们已经在自然界中找到了答案。
具体来讲，科学家们尝试复制一种被称为结构性着色的效果，这种效果在蝴蝶和孔雀等动物中经常见到，它们的这种特性可以被用到伪装、吸引配偶以及其他各种用途中。在实践中，这种现象通过微观结构的表面创造出颜色的错觉，其精细程度足以干扰可见光，通常不需要色素就能做到。
这项研究的主要作者商洛然表示："当材料被照亮时，光源的一些波长被反射，创造出我们所看到的颜色。在自然界中，这就是蝴蝶和昆虫、变色龙和一些植物的翅膀上虽然不含颜料，但却可以呈现出鲜艳颜色和金属色的原因。结构性着色是基于物理结构产生的颜色，它更加稳定，不会轻易褪色。"
△该团队使用仿生墨水3D打印的一些原型。图片来自张卓浩。
一种 "结构着色"的3D打印墨水
为了配制他们的新型3D打印材料，研究人员将明胶和水凝胶与羟丙基纤维素（HPC）和胆固醇纤维素液晶（CLCs）相结合。使用HPC作为 "构件"，研究小组发现他们能够开发出能够创造出明亮和金属颜色的CLC，而热反应水凝胶的整合使得这一过程能够被紫外线触发。
为了评估他们的材料的变色能力，科学家们接着在平坦的表面上3D打印出不同形状的原型，如锡纸和实验台。据说这些部件在每一种情况下，都根据提示改变了外观，因此该团队现在声称他们正在研究改进其配方的方法，例如用自然衍生的替代品取代其水凝胶。
研究人员表示通过这样做，有可能使他们的墨水可以食用，为其提供一个新的潜在市场来开发。该团队还在研究使用他们的材料在弯曲的表面上制造零件的可能性。从理论上讲，这可以使复杂的部件得以产生，如儿童玩具中的部件，由于明显的原因，这些部件必须符合某些无毒标准。
研究的共同作者罗冉总结说："未来我们将进一步修改墨水的配方。目前，物体只能被打印在平面上。我们希望该技术在未来能够适应不同形状的曲面，如苹果。"
△采取类似于仿生的手段，美国陆军去年为一种在光学部件上应用类似飞蛾的"变形涂层 "的方法申请了专利。照片来自Rúben Marques。
仿生增材制造
国内科学家所开发的这种新材料确实让人眼前一亮，但令人惊讶的是，自然界已经不是第一次成为3D打印创新的来源了。就在去年，美国陆军夜视实验室的科学家们成功开发了一种独特的3D打印滚筒，能够在军事装备上冲压出能使飞蛾隐形的图案。
与此同时，浙江大学的研究人员将墨鱼作为灵感，开发了具有独特能量吸收能力的仿生细胞状结构。该团队表示，这种部件可以应用于飞机、装甲、车辆或建筑的制造中，其重量超轻，但仍能承受自身重量2万倍的变形。
国立台湾科技大学的科学家也从海洋生物中获得了灵感，他们也设计出了模仿海胆形态的新晶格3D打印结构。利用这种生物的机械稳定和承重形状，研究团队已经能够建立更有效的无支撑部件。
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