麻省理工学院的工程师们使用一种新技术将自组装原理和3d打印结合起来，他们今天在杂志上强调了这一点先进材料．
通过他们的直接书写胶体组装过程，研究人员可以构建厘米高的晶体，每个晶体由数十亿个单独的胶体组成，胶体被定义为直径在1纳米到1微米之间的粒子。
该研究的合著者、麻省理工学院材料科学与工程系的研究生阿尔文·谭(Alvin Tan)说:“如果你把每个粒子都吹到足球的大小，就像把很多足球堆在一起，就能造出一座摩天大楼那么高。”“这就是我们在纳米尺度上所做的事情。”
研究人员发现了一种打印胶体(如聚合物纳米颗粒)的方法，其排列高度有序，类似于晶体中的原子结构。他们打印了各种各样的结构，比如微小的塔和螺旋，它们以特定的方式与光相互作用，这取决于每个结构中单个粒子的大小结构．
该团队将3d打印技术视为一种构建自组装材料的新方法，这种材料利用纳米晶体的新特性，在更大的范围内，如光学传感器、彩色显示器和光导电子设备。
“如果你能3d打印一个操纵光子而不是电子的电路，这可能会为未来基于光的计算应用铺平道路，操纵光而不是电，这样设备就可以更快、更节能，”Tan说。
Tan的合著者是研究生Justin Beroz，机械工程助理教授Mathias Kolle和机械工程副教授A. John Hart。
走出迷雾
胶体是悬浮在液体或气体中的大分子或小颗粒，通常直径在1纳米到1微米之间。胶体的常见例子有雾，它是由烟尘和其他分散在空气中的超细颗粒组成的，还有打发的奶油，它是在浓奶油中悬浮的气泡。这些日常胶体中的颗粒在大小和在溶液中分散的方式上完全是随机的。
如果大小一致胶体粒子它们通过液体溶剂的蒸发被驱动在一起，使它们组装成有序的晶体，就有可能创造出整体上具有独特光学、化学和机械性能的结构。这些晶体可以表现出与自然界中有趣的结构相似的特性，比如蝴蝶翅膀上的彩虹细胞，以及海绵中微观的骨骼纤维。
到目前为止，科学家们已经开发出了将胶体颗粒蒸发并组装成薄膜的技术，以形成可以过滤光线的显示器，并根据单个颗粒的大小和排列方式产生颜色。但到目前为止，这种胶体组合仅限于薄膜和其他平面结构。
该论文的资深作者Hart说:“我们第一次证明了构建宏观自组装胶体材料是可能的，我们希望这项技术可以构建任何3-D形状，并应用于各种令人难以置信的材料。”
构建粒子桥
研究人员使用定制的3d打印设备创建了微型三维胶体颗粒塔，该设备由玻璃注射器和针组成，安装在两块加热的铝板上。所述针头穿过所述顶板上的孔，并将胶体溶液分配到附着在所述底板上的衬底上。
研究小组均匀地加热两块铝板，这样当针头分配胶体溶液时，液体会慢慢蒸发，只留下颗粒。底部的盘子可以旋转和上下移动来控制整体结构的形状，类似于你在软冰淇淋机下面移动一个碗来创造扭曲或漩涡。
贝罗兹说，当胶体溶液被推过针管时，液体就充当了溶液中颗粒的桥梁或模具。颗粒通过液体“雨点般落下”，形成液体流形状的结构。液体蒸发后，颗粒之间的表面张力将它们固定在原位，形成有序的结构。
作为胶体打印技术的第一次演示，该团队使用聚苯乙烯颗粒在水中的溶液，并创建了厘米高的塔和螺旋。每个结构都包含30亿个粒子。在随后的试验中，他们测试了含有不同大小聚苯乙烯颗粒的溶液，并能够打印出反映特定颜色的塔，这取决于单个颗粒的大小。
“通过改变这些粒子的大小，你会极大地改变结构的颜色，”Beroz说。“这是由于粒子以这种周期性、有序的方式组装的方式，以及光与这种规模的粒子相互作用时的干涉。我们本质上是3d打印晶体。”
该团队还实验了更奇特的胶体颗粒，即二氧化硅和金纳米颗粒，它们可以表现出独特的光学和电子特性。他们打印了直径200纳米的二氧化硅纳米颗粒和80纳米的金纳米颗粒制成的毫米高的塔，每一种都以不同的方式反射光。
“你可以用不同种类的粒子做很多事情，从导电金属粒子到半导体量子点，我们正在研究，”Tan说。“将它们组合成不同的晶体结构，并形成不同的几何形状，用于新型设备架构，我认为这将在传感、能量存储和光子学等领域非常有效。”
了下:M2M(机器对机器)
