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

自然界中存在著(zhù)絢麗多彩的顏色，在這些顏色中，有一類(lèi)特殊顏色源自于生物身上的特殊有序微納結構，如大藍閃蝶、變色龍、金龜子等。這類(lèi)顏色被稱(chēng)為“結構色”，而具有該特殊有序微納結構的材料被稱(chēng)為光子晶體。

受這種特殊有序微納結構的啟發(fā)，科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一系列的光子晶體材料，并將其應用到人民幣防偽、低損耗波導、動(dòng)態(tài)顏色顯示、激光設備、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(jiǎn)單等優(yōu)勢，近年來(lái)備受科學(xué)家的青睞。

圖 | 張宇（來(lái)源：資料圖）

眾所周知，材料的結構無(wú)論是宏觀(guān)或是微觀(guān)，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特的結構設計，以滿(mǎn)足面向各種應用的個(gè)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(shí)現平面結構或簡(jiǎn)單三維結構，還鮮有技術(shù)手段能夠實(shí)現任意設計的、具有復雜 3D 結構的膠體光子晶體。

結合納米材料和 3D 打印技術(shù)，科學(xué)家們常常能夠制備出常規制備技術(shù)及 3D 打印技術(shù)所不能實(shí)現的具有特殊功能的 3D 材料。而 3D 打印膠體光子晶體的難點(diǎn)在于，如何在不借助外力的情況下實(shí)現納米材料在打印結構中的長(cháng)程有序排列。

近日，哈佛醫學(xué)院聯(lián)合東南大學(xué)設計并開(kāi)發(fā)了一種膠體光子晶體墨水，并進(jìn)一步結合數字光處理打印技術(shù)，成功制備了同時(shí)具有宏觀(guān)復雜 3D 結構和微觀(guān)亞微米尺度有序結構的膠體光子晶體。此外，該團隊通過(guò)對打印體系中墨水組分、打印機打印參數等的調節，實(shí)現了對所打印物體的 3D 結構、光學(xué)及力學(xué)性能、刺激響應性等的輕松控制。

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(diǎn)實(shí)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(lái)源：Materials Today ）

有審稿人高度贊揚了該研究，并評價(jià)道，“該技術(shù)在仿生材料的智能制造中具有廣闊的應用前景，為仿生層級結構材料的制造開(kāi)拓了新的道路?！?/span>

據了解，這項研究是廖俊龍在張宇教授實(shí)驗室訪(fǎng)學(xué)期間完成的。該實(shí)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(guò)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(lái)，他在國內外兩位導師張宇教授和顧忠澤教授的指導和幫助下完成了該研究。

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

（來(lái)源：Materials Today ）

接著(zhù)，該團隊基于構建出的打印機和墨水，開(kāi)展了 3D 打印膠體光子晶體的一系列工作，并初步演示了動(dòng)態(tài)顏色展示、4D 打印光子晶體柔性機器人、特殊防偽標簽等應用。

研究人員稱(chēng)，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構色生物（如變色龍）的復雜層級結構和顏色操縱的策略，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、仿生變色軟體機器人、智能防偽標簽和定制化光學(xué)傳感器件等領(lǐng)域得以廣泛應用。

值得一提的是，近期張宇教授實(shí)驗室和東南大學(xué)生物電子國家重點(diǎn)實(shí)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(lái)源：廖俊龍）

此外，廖俊龍談到，在研究的初期，整個(gè)團隊也遇到了較多的問(wèn)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(gè)課題時(shí)壓力也比較大。

當時(shí)，兩位導師和實(shí)驗室的其他小伙伴給了他很多幫助和支持，尤其是有很強機械專(zhuān)業(yè)背景的卡洛斯·埃齊奧·加西亞門(mén)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(shí)間內完成 3D 打印機的雛形，卡洛斯連續兩天幾乎沒(méi)有休息，堅持完成了 3D 打印機的構建。

據了解，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(fǎng)問(wèn)學(xué)習，這項工作也是他在訪(fǎng)學(xué)期間完成的。目前，他在南京某生物公司繼續從事科研相關(guān)工作。

廖俊龍表示，他的興趣愛(ài)好比較廣泛，善于從生活或者工作中各個(gè)方面發(fā)現問(wèn)題，也很喜歡學(xué)習不同的知識。對他來(lái)說(shuō)，做科研比較享受的是過(guò)程，如發(fā)現并解決問(wèn)題、驗證實(shí)驗預想、出現“意料之外”實(shí)驗現象等，這些都很令人開(kāi)心和振奮。

-End-

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