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  自然界中存在著絢麗多彩的顏色，在這些顏色中，有一類特殊的顏色源自于生物身上的特殊有序的微納結構（如大藍閃蝶、變色龍等），這類顏色被稱為“結構色”，而這類具有特殊有序微納結構的材料被稱為光子晶體。受這些生物的微納結構啟發，人們開發了一系列的光子晶體材料，并應用到不同的領域中，如低損耗波導、動態顏色顯示、激光設備、高性能傳感器件、特殊染料和涂料、智能防偽標簽等。膠體光子晶體是一類由單分散微/納米粒子（膠體粒子）組裝而成的光子晶體，由于其成本低廉、制備簡單等優勢近年來備受青睞。為滿足面向各種應用的個性化需求，要求膠體光子晶體擁有獨特的結構設計，從而能夠滿足應用中的功能需求。然而，目前的膠體光子晶體制備技術大都只能實現平面結構或簡單三維結構，還鮮有技術手段能夠實現具有任意設計的、復雜3D結構的膠體光子晶體。

  3D打印，又被稱為增材制造，是近年來發展起來的一種能夠靈活設計并制備具有復雜3D幾何結構材料的新興技術。與此同時，結合納米材料和3D打印技術，人們能夠制備出常規制備技術或3D打印技術所不能實現的具有特殊功能的3D材料。然而，目前也鮮有技術能夠實現納米材料在3D打印結構中的長程有序排列。

  近日，哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組聯合東南大學生物電子學國家重點實驗室顧忠澤教授課題組，設計并開發了一種可供3D打印的膠體光子晶體墨水，并結合數字光處理（Digital light processing，DLP）打印技術，成功制備了同時具有宏觀復雜3D結構和微觀亞微米尺度有序結構的膠體光子晶體。此外，通過對打印體系中墨水組分、打印參數等的調節，作者實現了對所打印物體的3D結構、光學及力學性能、刺激響應性等的輕松控制。這種3D打印膠體光子晶體的技術能夠輕松制備具有多重功能的膠體光子晶體，從而進一步模擬自然界中某些結構色生物的復雜層級結構和顏色操縱的策略，使得這些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等領域中的應用變為可能。

  首先，作者開發了一種高帶電的柔性膠體粒子，并結合該膠體粒子和可光固化的水凝膠，制備了一種可供3D打印的膠體光子晶體（圖1）。

 圖1. 3D打印膠體光子晶體的設計原理及可打印膠體光子晶體墨水的表征。

  接下來，作者探究了3D打印膠體光子晶體的力學性能和特殊光學性能，并觀察到，相較于傳統的具有2D宏觀結構的膠體光子晶體，他們制備的3D膠體光子晶體由于具備復雜的3D結構，擁有著更為復雜的結構色角度有偏特性（圖2）。

  另外，結合具有熱響應的特殊水凝膠poly(N-isopropyl acrylamide) （PNIPAM），作者開發出了具有靈敏且可逆熱響應性的3D膠體光子晶體（圖3）。

  通過對打印結構的設計和不同組分墨水的使用，作者還開發出了形貌和結構色能夠同時隨溫度變化的4D打印膠體光子晶體（圖4）。而通過對墨水以及打印參數的特殊設計，作者還實現了多色的且顏色可調的圖案化膠體光子晶體的制備（圖5）。

  該文章以題目“3D-Printable Colloidal Photonic Crystals”發表在雜志《Materials Today》 （DOI：10.1016/j.mattod.2022.02.014）上。哈佛醫學院訪學東南大學廖俊龍博士、蘇州科技大學葉常青教授為論文的共同第一作者，論文作者還包括來自墨西哥、印度、美國、新加坡等高校院所研究人員，通訊作者為哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授和東南大學顧忠澤教授。