五彩繽紛的蝴蝶翅膀、光鮮靚麗的孔雀羽毛、閃耀著金屬光澤的昆蟲甲殼……點綴著這些大自然奇妙杰作的并非普通色素，而是光與光子晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生散射、干涉、衍射等作用后形成的結(jié)構(gòu)色。

光子晶體是由不同折射率介質(zhì)周期性排列而形成的光學(xué)超材料，也被稱為光學(xué)半導(dǎo)體。通過設(shè)計和制造光子晶體材料及相關(guān)器件來控制光子運動，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實現(xiàn)光子晶體材料的各種應(yīng)用，是人們長久以來的夢想。

近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷院重點實驗室研究員宋延林、副研究員吳磊等研究人員組成的研究團(tuán)隊利用連續(xù)數(shù)字光處理(DLP)3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了具有明亮結(jié)構(gòu)色的三維光子晶體結(jié)構(gòu)制備，為創(chuàng)新結(jié)構(gòu)色制備方法及擴(kuò)展3D打印的應(yīng)用開創(chuàng)了新的途徑。

創(chuàng)新方法，讓光子晶體精準(zhǔn)“生長”

光子晶體作為未來光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性材料，其獨特的三維光學(xué)控制能力使其在集成光學(xué)元件、光子晶體光纖及高密度光學(xué)數(shù)據(jù)儲存等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。3D打印技術(shù)近年來的成熟發(fā)展，也使其成為最好的光子晶體制備手段之一。

宋延林向記者介紹，雖然近年來有一些將3D打印技術(shù)應(yīng)用于多種圖案化光子晶體制備的案例，但普通的3D打印技術(shù)因為墨水中樹脂的光固化速度和納米粒子組裝速度的差異，存在結(jié)構(gòu)色效果較差、打印精度較低、難以實現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)等問題。上述方法制備的多種圖案化光子晶體具有表面形貌粗糙和保真度較差等缺陷，難以被廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件中。

要實現(xiàn)高精度、高保真的光子晶體結(jié)構(gòu)3D打印，就必須要開拓出新的方法。此次研究中，研究團(tuán)隊使用了連續(xù)數(shù)字光處理3D打印技術(shù)。與常見的將原材料層層擠出、堆疊而成的3D打印技術(shù)不同，連續(xù)數(shù)字光處理3D打印技術(shù)基于光敏樹脂材料在紫外線照射下會快速固化的特性，利用紫外線光束在光敏樹脂溶液中雕刻形成3D結(jié)構(gòu)。

此次研究團(tuán)隊所采用的連續(xù)數(shù)字光處理3D打印方法主要的打印步驟如下：首先，在透明基板上滴上墨水，將墨水上方的成型平面緩緩下降，與墨水進(jìn)行接觸；接下來，通過基板下方的光束將打印圖案照射在墨水上；之后，受到紫外線照射的墨水會凝固成預(yù)先設(shè)計好的形狀。一滴滴小小的墨水被“雕刻”為一個3D光子晶體結(jié)構(gòu)，其整個產(chǎn)生的過程仿佛是從基板上“生長”出來。

宋延林表示，研究團(tuán)隊所采用的連續(xù)數(shù)字光處理3D打印技術(shù)主要在兩方面上取得了重要改進(jìn)。

在打印模式上，市面上的光固化連續(xù)數(shù)字光處理3D打印技術(shù)大都是層層打印，打印速度較慢。研究團(tuán)隊研發(fā)出的低黏附光固化界面，讓液滴與基底之間的粘附力極低，打印過程沒有任何“拖泥帶水”，能夠?qū)崿F(xiàn)迅速連續(xù)打印成型，極大地提升了打印的速度。

在成型方式上，市面上的光固化連續(xù)數(shù)字光處理3D打印技術(shù)通常要采用液槽來盛裝大量液態(tài)樹脂。采用液槽來盛裝大量液態(tài)樹脂的方式導(dǎo)致在連續(xù)打印過程中，不該固化的區(qū)域因為受到照射而固化，不僅造成原材料的大量浪費，也降低了連續(xù)打印過程中的穩(wěn)定性及分辨率。研究團(tuán)隊摒棄了液槽，而是以單墨滴為成型單元，通過控制固化過程中氣、固、液三相接觸線，顯著減少了液體樹脂在固化結(jié)構(gòu)表面的殘留。同時，以單墨滴為成型單元還降低了界面粘附，增加了液體內(nèi)部樹脂的流動，顯著提高了3D打印的精度和穩(wěn)定性。