麻省理工学院的研究团队研发了一种新技术，该技术将胶体粒子自组装和墨水直写3D打印相结合，能够制造出厘米高的晶体材料，每个晶体由数十亿个单体胶体制成。
麻省理工学院指出，目前科学家已经开发出将胶体溶剂蒸发并组装成薄膜的技术，比如说根据单个颗粒的大小和排列过滤光制造的颜色显示器就是用这种技术制造的。但是这种胶体组件仅限于薄膜和其他平面结构，麻省理工学院的新研究旨在利用粒子自组装和3D打印技术构建任何三维形状的胶体材料（视频）。
相关研究论文“Direct‐Write Freeform Colloidal Assembly”, 发表在Advanced Materialis 期刊中。
可改变颜色的三维胶体结构
胶体是一种混合物，其中一种微观分散的不溶性颗粒物质悬浮在另一种物质中。胶体可以是大分子或小颗粒，通常在1纳米到1微米之间，并悬浮在液体或气体中。在日常胶体中，颗粒大小和它们通过溶液分散的方式完全是随机的。
麻省理工学院研究团队的思路是，通过蒸发胶体液体溶剂，将均匀尺寸的胶体颗粒驱动在一起，将它们组装成有序晶体，从而产生整体上具有独特光学，化学和机械性质的结构。这些晶体可以表现出与自然界天然结构类似的性质，例如蝴蝶翅膀中的虹彩细胞，以及海绵中的微观纤维。
纳米粒子从针头分配到旋转台上，产生含有数十亿纳米粒子的螺旋晶体。图片来源:MIT
我们可以形象的将单个颗粒想象为一个足球，研究人员用这一新技术制造三维晶体结构的过程就好比是用无数足球搭建一幢摩天大楼一样，只不过他们的研究工作是在微观层面上展开的。
研究人员使用定制的3D打印设备创建了微小的三维胶体颗粒塔，3D打印设备由打印针头、注射器和两块可加热铝板组成，针头与注射器被安装在铝板上方，打印时由针头将胶体材料沉积在铝板上。经过均匀加热的铝板，将胶体溶液蒸发，只留下颗粒，当底板旋转或移动时，可以打印出扭曲或漩涡状的三维结构。
当胶体溶液被推过针头时，液体就像是溶液中颗粒的桥梁或模具。颗粒通过液体“下降”，形成液体流形状的结构。在液体蒸发后，颗粒之间的表面张力将它们保持在有序配置中。
光学显微镜下的3D打印胶体晶体。图片来源:MIT
麻省理工学院的研究团队在研究中使用了三种胶体材料来验证这一技术，包括：聚苯乙烯颗粒、二氧化硅和金纳米颗粒。
研究团队使用聚苯乙烯颗粒在水中的溶液，并3D打印了厘米高的塔和螺旋结构。每一个结构都包含30亿个粒子。在随后的试验中，他们测试了含有不同尺寸聚苯乙烯颗粒的溶液，并能够通过改变单个颗粒的大小，改变3D打印胶体结构的颜色。这是由于颗粒是以周期性有序的方式进行组装的，光与特定尺度的颗粒相互作用时产生干涉。
研究团队使用的另外两种打印材料-二氧化硅和金纳米颗粒，具有独特的光学和电子特性。研究人员3D打印了由200纳米直径的二氧化硅纳米粒子和80纳米金纳米粒子制成的毫米高的塔状结构，每个纳米粒子能够以不同的方式反射光。
3D科学谷了解到，麻省理工学院的研究团队正在利用这一3D打印技术制造更多种类的胶体颗粒材料。如果利用这种3D打印技术将这些颗粒组合成不同的晶体结构以及不同的三维几何形状，将在制造传感器、彩色显示屏和光导电子器件领域具有应用潜力。
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