華科大：超分子3D打印策略實現(xiàn)可修復(fù)、可回收的3D結(jié)構(gòu)色物體的一步構(gòu)筑

具有3D幾何形狀的結(jié)構(gòu)色物體在光學(xué)設(shè)備、傳感、定制化裝飾等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前3D結(jié)構(gòu)色物體的制備流程繁瑣，成型后通常需求后處理產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。一步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色的直接生成和三維結(jié)構(gòu)的成型仍存在挑戰(zhàn)。

近期，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院朱錦濤、張連斌教授團(tuán)隊在3D結(jié)構(gòu)色物體制備方面取得了進(jìn)展。他們提出了一種通過墨水直寫打印（Direct Ink Writing, DIW）的方式，將由膠體粒子與聚合物組成的超分子膠體復(fù)合物直接打印一步構(gòu)筑具有3D結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)色物體的方法（圖1）。該研究中，動態(tài)可逆的超分子相互作用的引入起到重要作用：i. 保證高體積分?jǐn)?shù)的膠體粒子在聚合物基質(zhì)中的均勻分散，從而有效保證結(jié)構(gòu)色的直接產(chǎn)生；ii. 賦予超分子膠體復(fù)合物滿足DIW打印的流變性需求（觸變性、剪切變稀、合適的屈服應(yīng)力）；iii. 賦予3D結(jié)構(gòu)色物體可回收、可修復(fù)的特性，滿足定制化的需求，減少原材料的損耗；iv. 3D結(jié)構(gòu)色物體的構(gòu)筑可拓展到其他常用聚合物和膠體粒子的材料體系。該工作以“Supramolecular 3D Printing Enabling One-Step Generation of Healable and Recyclable Structurally Colored Objects"為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，文章的通訊作者是張連斌教授，第一作者是華中科技大學(xué)博士生胡振。該研究受到國家自然科學(xué)基金(52373075)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi) (HUST: 5003013129)資助。

作者通過將聚乙烯亞胺（PEI）與二氧化硅膠體粒子復(fù)合構(gòu)筑超分子膠體復(fù)合物，通過DIW直接打印獲得具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)色物體。超分子膠體復(fù)合物表現(xiàn)出滿足DIW打印的流變性需求：剪切變稀保證超分子膠體復(fù)合物打印過程中的連續(xù)擠出；合適的屈服應(yīng)力保證復(fù)合物的層層堆疊構(gòu)筑3D結(jié)構(gòu)而不變形；觸變性保證超分子膠體復(fù)合物在擠出后能夠恢復(fù)固體流變行為；合適的打印溫度保證超分子膠體復(fù)合物能夠在較低的應(yīng)力需求下連續(xù)擠出（圖2）。

基于超分子相互作用的多樣性和可調(diào)性，該研究的方法能夠適用于不同的聚合物與膠體粒子體系，用于構(gòu)筑3D結(jié)構(gòu)色物體（圖3）。超分子相互作用的動態(tài)可逆的特性賦予3D結(jié)構(gòu)色物體可修復(fù)、可回收的性質(zhì)，可以滿足定制化結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑需求；打印獲得的的3D結(jié)構(gòu)色物體可以回收重新獲得超分子膠體復(fù)合物，或閉環(huán)回收獲得相應(yīng)的聚合物與膠體粒子（圖4）。