中大新闻网讯（通讯员郭双壮）结构色是区别于传统化学色的一种全新的着色方式，其原理是由微观物理结构与自然光之间的相互作用（如散射、干涉、衍射等）所产生的颜色。结构色材料的色彩不依赖于其成分的化学特性，因此具有更宽的原材料选择范围，在稳定性、安全性、耐用性及环保性等方面均优于依靠染料与颜料的传统染色方式。3D打印技术的发展为结构色的加工制造提供了全新的思路。然而，目前用于结构色材料的3D打印方法存在打印条件或设备要求严格、缺乏对加工精度的系统控制、打印缺陷多和可扩展性有限等诸多问题，限制了结构色材料的应用前景。
近期，中山大学材料科学与工程学院郭双壮副教授团队制备了具有光敏活性的可打印结构色墨水，结合实验室自建的高精度多材料直写打印系统，成功实现了多彩结构色的溶剂挥发墨水直写打印（Solvent cast-direct ink writing，SC-DIW）。该打印策略能在大范围内实现对打印分辨率的精准控制与复杂图案的高精度打印，并能够灵活地与多种可打印功能材料体系集成。基于此，该团队创新性地将结构色材料集成至仿生机器人的制造中，在传统磁控柔性机器人表面打印结构色涂层，制备了一系列具有仿生结构色外观及无束缚变形能力的多维度仿生蝴蝶，展现了这种结构色材料3D打印策略在仿生机器人及其他需要先进表面着色方式的系统中的应用前景。
图1 胆甾相液晶弹性体的溶剂挥发墨水直写打印过程
该课题组以向列相液晶RM 267、手性掺杂剂LC 756和扩链剂EDDET为原料通过迈克尔加成反应制备了具有光敏活性的胆甾相液晶弹性体低聚物，并添加二氯甲烷作为稀释剂制备了可打印墨水。通过探究墨水直写打印过程中打印速度、打印压力及针头直径对打印墨水细丝直径的影响，构建数学关系，实现了在大范围内(52.54~436.27 μm)对打印分辨率的高度控制。直写打印过程中，在墨水通过针尖挤出过程所受到的剪切力及打印后溶剂各向异性挥发的共同作用下，液晶分子自组装形成螺旋有序结构（图1），使墨水细丝表现出鲜艳的结构色，进一步经光照固化之后颜色可以长期保存。
图2 高精度多彩结构色图案的打印
基于对分辨率和颜色的良好控制，可以实现对复杂设计图案的高还原度打印。针对不同图案的尺寸特点选取恰当的分辨率，则可实现对同一图案的缩放式打印。此外，多材料墨水直写3D打印系统对多墨水打印技术的支持使不同颜色的墨水能在一个打印过程中依次打印，实现彩色图案的快速制造(图2)。
图3 仿生蝴蝶机器人的设计、打印及运动状态照片
除了多色打印，多墨水打印技术还使结构色材料与多功能材料的集成式打印成为可能。该课题组将结构色材料打印的任意图案作为仿生表层引入至仿生机器人中，一体式打印了基于多层结构的仿生柔性机器人。该仿生机器人以磁响应弹性体为致动层，模仿蝴蝶的无束缚运动能力；并以胆甾相液晶弹性体为表面仿生着色层，模仿蝴蝶的结构色外观。如图3所示，一体式墨水直写打印的仿生蝴蝶拥有美丽而逼真的外形，而在外加磁场作用下可生动地“扑动”翅膀，有极高的仿生度，体现了这种打印策略在新一代仿生机器人及其他更多可打印系统中的应用潜力。此外，打印的结构色液晶弹性体还具有热响应性，加热即可发生定向形变，呈现出4D打印效果。未来可在仿生机器人、信息存储、柔性传感和信号检测方面得到应用。
该项研究以“3D-Printed Biomimetic Structural Colors”为题发表在期刊Small上。文章的第一作者是中山大学材料科学与工程学院2020级硕士研究生毕燃，郭双壮副教授为通讯作者。
