哈佛團(tuán)隊聯(lián)合東南大學(xué)制備出可3D打印膠體光子晶體，有望應(yīng)用于器官芯片、仿生變色軟體機(jī)器人和智能防偽標(biāo)簽等

自然界中存在著絢麗多彩的顏色，在這些顏色中，有一類特殊顏色源自于生物身上的特殊有序微納結(jié)構(gòu)，如大藍(lán)閃蝶、變色龍、金龜子等。這類顏色被稱為“結(jié)構(gòu)色”，而具有該特殊有序微納結(jié)構(gòu)的材料被稱為光子晶體。

受這種特殊有序微納結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，科學(xué)家開發(fā)了一系列的光子晶體材料，并將其應(yīng)用到人民幣防偽、低損耗波導(dǎo)、動態(tài)顏色顯示、激光設(shè)備、高性能傳感器件、特殊染料和涂料等方面。其中，膠體光子晶體由于成本低廉及制備簡單等優(yōu)勢，近年來備受科學(xué)家的青睞。

圖 | 張宇（來源：資料圖）

眾所周知，材料的結(jié)構(gòu)無論是宏觀或是微觀，都和其功能息息相關(guān)。因此，科學(xué)家們往往要求膠體光子晶體擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以滿足面向各種應(yīng)用的個性化功能需求。然而，目前的膠體光子晶體制備技術(shù)大都只能實現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)或簡單三維結(jié)構(gòu)，還鮮有技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)任意設(shè)計的、具有復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)的膠體光子晶體。

結(jié)合納米材料和 3D 打印技術(shù)，科學(xué)家們常常能夠制備出常規(guī)制備技術(shù)及 3D 打印技術(shù)所不能實現(xiàn)的具有特殊功能的 3D 材料。而 3D 打印膠體光子晶體的難點在于，如何在不借助外力的情況下實現(xiàn)納米材料在打印結(jié)構(gòu)中的長程有序排列。

近日，哈佛醫(yī)學(xué)院聯(lián)合東南大學(xué)設(shè)計并開發(fā)了一種膠體光子晶體墨水，并進(jìn)一步結(jié)合數(shù)字光處理打印技術(shù)，成功制備了同時具有宏觀復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)和微觀亞微米尺度有序結(jié)構(gòu)的膠體光子晶體。此外，該團(tuán)隊通過對打印體系中墨水組分、打印機(jī)打印參數(shù)等的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對所打印物體的 3D 結(jié)構(gòu)、光學(xué)及力學(xué)性能、刺激響應(yīng)性等的輕松控制。

相關(guān)論文以《可 3D 打印的膠體光子晶體》（3D -printable colloidal photonic crystals）為題發(fā)表在 Materials Today 上，哈佛醫(yī)學(xué)院張宇（Y. Shrike Zhang）教授和東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點實驗室的顧忠澤教授為通訊作者，東南大學(xué)博士廖俊龍為第一作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Materials Today ）

有審稿人高度贊揚(yáng)了該研究，并評價道，“該技術(shù)在仿生材料的智能制造中具有廣闊的應(yīng)用前景，為仿生層級結(jié)構(gòu)材料的制造開拓了新的道路?！?/span>

據(jù)了解，這項研究是廖俊龍在張宇教授實驗室訪學(xué)期間完成的。該實驗室具備 3D 打印技術(shù)方面的特色，而廖俊龍本身有膠體光子晶體方面的背景。經(jīng)過幾次頭腦風(fēng)暴后，廖俊龍和張宇教授一起萌生了 3D 打印膠體光子晶體的想法。接下來，他在國內(nèi)外兩位導(dǎo)師張宇教授和顧忠澤教授的指導(dǎo)和幫助下完成了該研究。

該研究主要涉及到兩個方面，一是材料的制備，二是 3D 打印機(jī)的構(gòu)建。首先，廖俊龍在張宇教授的指導(dǎo)以及實驗室小伙伴的幫助下，自主構(gòu)建了一臺 3D 打印設(shè)備。然后，他通過數(shù)次的嘗試，制備出了可供 3D 打印的膠體光子晶體墨水。

（來源：Materials Today ）

接著，該團(tuán)隊基于構(gòu)建出的打印機(jī)和墨水，開展了 3D 打印膠體光子晶體的一系列工作，并初步演示了動態(tài)顏色展示、4D 打印光子晶體柔性機(jī)器人、特殊防偽標(biāo)簽等應(yīng)用。

研究人員稱，這種 3D 打印膠體光子晶體的技術(shù)能夠輕松制備具有多重功能的膠體光子晶體，從而進(jìn)一步模擬自然界中某些結(jié)構(gòu)色生物（如變色龍）的復(fù)雜層級結(jié)構(gòu)和顏色操縱的策略，使得 3D 打印膠體光子晶體在智能彩色顯示器件、3D 集成傳感器、仿生變色軟體機(jī)器人、智能防偽標(biāo)簽和定制化光學(xué)傳感器件等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

值得一提的是，近期張宇教授實驗室和東南大學(xué)生物電子國家重點實驗室都在從事器官芯片相關(guān)的研究，他們還希望有一天，其 3D 膠體光子晶體的構(gòu)建技術(shù)能夠作為定制化的光學(xué)傳感器件被用在器官芯片等相關(guān)中。

圖 | 廖俊龍（來源：廖俊龍）

此外，廖俊龍談到，在研究的初期，整個團(tuán)隊也遇到了較多的問題。比如，他本身是對材料方面了解較多，但對 3D 打印方面知之甚少，因此在接到這個課題時壓力也比較大。

當(dāng)時，兩位導(dǎo)師和實驗室的其他小伙伴給了他很多幫助和支持，尤其是有很強(qiáng)機(jī)械專業(yè)背景的卡洛斯·埃齊奧·加西亞門德斯-米哈雷斯（Carlos Ezio Garciamendez-Mijares），也是論文的作者之一。研究中，他們需要在短時間內(nèi)完成 3D 打印機(jī)的雛形，卡洛斯連續(xù)兩天幾乎沒有休息，堅持完成了 3D 打印機(jī)的構(gòu)建。

據(jù)了解，從本科到博士，廖俊龍一直就讀于東南大學(xué)，并在讀博期間在哈佛大學(xué)進(jìn)行了為期兩年的訪問學(xué)習(xí)，這項工作也是他在訪學(xué)期間完成的。目前，他在南京某生物公司繼續(xù)從事科研相關(guān)工作。

廖俊龍表示，他的興趣愛好比較廣泛，善于從生活或者工作中各個方面發(fā)現(xiàn)問題，也很喜歡學(xué)習(xí)不同的知識。對他來說，做科研比較享受的是過程，如發(fā)現(xiàn)并解決問題、驗證實驗預(yù)想、出現(xiàn)“意料之外”實驗現(xiàn)象等，這些都很令人開心和振奮。

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參考：
1、JunlongLiao et al. 3D-printable colloidal photonic crystals. Materials Today （2022）
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.02.014