哈佛团队联合东南大学制备出可3D打印胶体光子晶体，有望应用于器官芯片、仿生变色软体机器人和智能防伪标签等

自然界中存在着绚丽多彩的颜色，在这些颜色中，有一类特殊颜色源自于生物身上的特殊有序微纳结构，如大蓝闪蝶、变色龙、金龟子等。这类颜色被称为“结构色”，而具有该特殊有序微纳结构的材料被称为光子晶体。

受这种特殊有序微纳结构的启发，科学家开发了一系列的光子晶体材料，并将其应用到人民币防伪、低损耗波导、动态颜色显示、激光设备、高性能传感器件、特殊染料和涂料等方面。其中，胶体光子晶体由于成本低廉及制备简单等优势，近年来备受科学家的青睐。

图 | 张宇（来源：资料图）

众所周知，材料的结构无论是宏观或是微观，都和其功能息息相关。因此，科学家们往往要求胶体光子晶体拥有独特的结构设计，以满足面向各种应用的个性化功能需求。然而，目前的胶体光子晶体制备技术大都只能实现平面结构或简单三维结构，还鲜有技术手段能够实现任意设计的、具有复杂 3D 结构的胶体光子晶体。

结合纳米材料和 3D 打印技术，科学家们常常能够制备出常规制备技术及 3D 打印技术所不能实现的具有特殊功能的 3D 材料。而 3D 打印胶体光子晶体的难点在于，如何在不借助外力的情况下实现纳米材料在打印结构中的长程有序排列。

近日，哈佛医学院联合东南大学设计并开发了一种胶体光子晶体墨水，并进一步结合数字光处理打印技术，成功制备了同时具有宏观复杂 3D 结构和微观亚微米尺度有序结构的胶体光子晶体。此外，该团队通过对打印体系中墨水组分、打印机打印参数等的调节，实现了对所打印物体的 3D 结构、光学及力学性能、刺激响应性等的轻松控制。

相关论文以《可 3D 打印的胶体光子晶体》（3D -printable colloidal photonic crystals）为题发表在 Materials Today 上，哈佛医学院张宇（Y. Shrike Zhang）教授和东南大学生物电子学国家重点实验室的顾忠泽教授为通讯作者，东南大学博士廖俊龙为第一作者。

图 | 相关论文（来源：Materials Today ）

有审稿人高度赞扬了该研究，并评价道，“该技术在仿生材料的智能制造中具有广阔的应用前景，为仿生层级结构材料的制造开拓了新的道路。”

据了解，这项研究是廖俊龙在张宇教授实验室访学期间完成的。该实验室具备 3D 打印技术方面的特色，而廖俊龙本身有胶体光子晶体方面的背景。经过几次头脑风暴后，廖俊龙和张宇教授一起萌生了 3D 打印胶体光子晶体的想法。接下来，他在国内外两位导师张宇教授和顾忠泽教授的指导和帮助下完成了该研究。

该研究主要涉及到两个方面，一是材料的制备，二是 3D 打印机的构建。首先，廖俊龙在张宇教授的指导以及实验室小伙伴的帮助下，自主构建了一台 3D 打印设备。然后，他通过数次的尝试，制备出了可供 3D 打印的胶体光子晶体墨水。

（来源：Materials Today ）

接着，该团队基于构建出的打印机和墨水，开展了 3D 打印胶体光子晶体的一系列工作，并初步演示了动态颜色展示、4D 打印光子晶体柔性机器人、特殊防伪标签等应用。

研究人员称，这种 3D 打印胶体光子晶体的技术能够轻松制备具有多重功能的胶体光子晶体，从而进一步模拟自然界中某些结构色生物（如变色龙）的复杂层级结构和颜色操纵的策略，使得 3D 打印胶体光子晶体在智能彩色显示器件、3D 集成传感器、仿生变色软体机器人、智能防伪标签和定制化光学传感器件等领域得以广泛应用。

值得一提的是，近期张宇教授实验室和东南大学生物电子国家重点实验室都在从事器官芯片相关的研究，他们还希望有一天，其 3D 胶体光子晶体的构建技术能够作为定制化的光学传感器件被用在器官芯片等相关中。

图 | 廖俊龙（来源：廖俊龙）

此外，廖俊龙谈到，在研究的初期，整个团队也遇到了较多的问题。比如，他本身是对材料方面了解较多，但对 3D 打印方面知之甚少，因此在接到这个课题时压力也比较大。

当时，两位导师和实验室的其他小伙伴给了他很多帮助和支持，尤其是有很强机械专业背景的卡洛斯·埃齐奥·加西亚门德斯-米哈雷斯（Carlos Ezio Garciamendez-Mijares），也是论文的作者之一。研究中，他们需要在短时间内完成 3D 打印机的雏形，卡洛斯连续两天几乎没有休息，坚持完成了 3D 打印机的构建。

据了解，从本科到博士，廖俊龙一直就读于东南大学，并在读博期间在哈佛大学进行了为期两年的访问学习，这项工作也是他在访学期间完成的。目前，他在南京某生物公司继续从事科研相关工作。

廖俊龙表示，他的兴趣爱好比较广泛，善于从生活或者工作中各个方面发现问题，也很喜欢学习不同的知识。对他来说，做科研比较享受的是过程，如发现并解决问题、验证实验预想、出现“意料之外”实验现象等，这些都很令人开心和振奋。

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