昆虫激发了油墨的4D打印

作者：Christine Middleton

编译：秦秦

图片来源：J. A. H. P. Sol et al., Adv. Funct.Mater. (2022), doi:10.1002/adfm.202201766

图片来源：J. A. H. P. Sol et al., Adv. Funct.Mater. (2022), doi:10.1002/adfm.202201766

通过合适的材料可以使打印出的物体显示随湿度变化而变化的彩虹色。

鸟类、蝴蝶和甲虫的鲜艳颜色和彩虹色特征有时不是由色素产生的，而是由构成动物翅膀和外壳的材料中的微观结构产生的。(参见Vinothan Manoharan和Annie Stephenson的研究，《今日物理》，2021年1月，第62页。)只要选择正确的油墨，3D打印的物体也能产生同样的效果:胶体晶体、水凝胶和液晶都曾被用于打印带有结构颜色的物体。、

一旦这些油墨干了，它们的结构和颜色就固定了。但有些生物的颜色可以根据外部条件而改变。受到这种能力的启发，荷兰埃因霍温理工大学的Jeroen Sol及其同事开发了一种彩虹色油墨，它会随着湿度而改变颜色，从而为他们的打印对象添加了一个有效的第四维度。第一幅图中的人造甲虫说明了从干燥条件下的绿色到高相对湿度下的红色，然后再变回绿色的过程。

两种可以在市场上买到的中间体，即形成液晶的分子，是油墨呈现彩虹色外观的背后原因。这两种分子都被拉长了，所以它们倾向于排列并形成液晶相。但是要实现理想的颜色变化需要胆甾相液晶相，即排列整齐的介晶层堆叠在一起，随后的层相对于彼此旋转以形成扭曲。在这种结构中，介晶的双折射特性使液晶具有类似布拉格的反射特性。然而，通常添加的手性掺杂剂分子会导致这种扭曲破坏油墨的外观，因此研究人员必须开发和合成一种新的分子来完成这项工作。

打印这种新油墨需要将其加热到70 C，这个温度足以使其转变为一种各向同性的液体。墨水落在较冷的基板上后，慢慢冷却并在15分钟后重新对齐。然后将干燥的墨水交联以固定胆甾型结构。将材料浸泡在盐酸溶液中使介晶上的胺基变得吸湿;如第二幅图所示，周围空气中的水被拉进液晶，并拉伸了液晶层，从而导致了颜色的变化。

图片来源：J. A. H. P. Sol et al., Adv. Funct.Mater. (2022), doi:10.1002/adfm.202201766

改变油墨的冷却速度会导致最终聚合物的含水量发生变化。通过根据正在印刷的双层结构的哪一层将印刷基板固定在不同的温度下，研究人员制造了一种致动器，该致动器可以像蛤壳一样打开和关闭，以响应湿度的变化。由于单材料油墨可以对外部刺激产生视觉和动态响应，因此它可能是软机器人中光学传感器和执行器的多功能选择。

文章来源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220711a/full/