如果某人有一個(gè)“硬殼但軟中心”，這通常被認(rèn)為是一個(gè)吸引人的性格特征。但對于高分子化學(xué)教授Markus Gallei和他的博士生Lukas Siegwardt來說，吸引力在于創(chuàng)造具有硬中心和軟殼的稱為“完美粒子”的物體。

術(shù)語“完美顆粒”用于指大小和形狀相同的顆粒。Siegwardt和Gallei現(xiàn)在已經(jīng)對這些起始材料進(jìn)行了修改，這些材料通常由聚苯乙烯或聚丙烯酸乙酯等常見聚合物制成，因此現(xiàn)在可以在3D打印機(jī)中加工它們 - 這是迄今為止不可能實(shí)現(xiàn)的。

自2001年以來，人工制造顯示結(jié)構(gòu)顏色的材料的方法已經(jīng)存在，但僅限于幾分之一毫米厚的超薄膜。“傳統(tǒng)上，這些材料已經(jīng)在工業(yè)壓力機(jī)或卷膜設(shè)備中加工，以生產(chǎn)可以改變顏色的聚合物薄膜，”Gallei教授解釋說。

薄膜的顏色可以通過多種方式改變，例如拉動(dòng)材料，對其施加電壓，改變溫度或改變pH值，僅舉幾例。“你基本上可以根據(jù)需要控制材料的顏色，”Markus Gallei說。這種結(jié)構(gòu)色的兩大優(yōu)點(diǎn)是它們完全無害 - 與許多傳統(tǒng)的染料顏料不同 - 并且它們永遠(yuǎn)不會(huì)褪色。

此外，這些材料幾乎是無限可變形的，直到最近，它們只能作為超薄膜生產(chǎn)這一事實(shí)受到限制。如果這些材料可以塑造成3D物體，它們可以用于廣泛的應(yīng)用，例如防偽技術(shù)或多功能測量傳感器，僅舉兩個(gè)潛在的未來用途?？梢灾圃祛w粒，使其具有高度特定的特性，同時(shí)也易于成型。

盧卡斯·西格沃特(Lukas Siegwardt)通過拉動(dòng)約五厘米長的印刷測試樣品來展示材料的變色龍性質(zhì)。當(dāng)他拉動(dòng)時(shí)，物體的顏色逐漸從紅色變?yōu)樗{(lán)色。“所以你可以看到這種材料已經(jīng)可以作為一個(gè)簡單的傳感器，可以對拉伸和壓縮力做出反應(yīng)，”Siegwardt解釋說。

為了理解潛在的化學(xué)性質(zhì)，我們需要回到前面提到的標(biāo)準(zhǔn)聚合物的那些“完美顆粒”。這些在商業(yè)上以白色，粘性粉末的形式提供，送入工業(yè)印刷機(jī)，或者現(xiàn)在更頻繁地送入3D打印機(jī)。

“在打印過程中，顆粒排列成規(guī)則的圖案，這些圖案將根據(jù)顆粒之間的間距具有不同的顏色，”Markus Gallei解釋說。

單個(gè)顆粒的軟殼融化以產(chǎn)生圍繞硬核的可流動(dòng)質(zhì)量。拉動(dòng)物體會(huì)改變各個(gè)核心粒子之間的距離，顏色也會(huì)相應(yīng)變化。堅(jiān)硬的完美粒子在柔軟的周圍介質(zhì)中移動(dòng)，并排列成新的圖案。Markus Gallei將這種分子水平的重排解釋為“從單個(gè)顆粒之間擠壓蜂蜜”。

改變這些微小粒子之間的距離會(huì)改變材料與可見光相互作用的方式，從而改變我們觀察到的顏色。

但是為3D打印準(zhǔn)備這些材料涉及Lukas Siegwardt的大量實(shí)驗(yàn)室工作。“我修改了材料，以便它可以實(shí)際打印出來。我花了幾個(gè)月的時(shí)間才找到正確的成分和正確的配方，“Siegwardt說。在這個(gè)過程中，有兩個(gè)棘手的螺母需要破解。首先，Siegwardt必須修改粉末狀原料的流動(dòng)特性，以便顆粒不會(huì)堵塞打印機(jī)的噴嘴，并且可以盡可能少地殘留材料。

“第二個(gè)問題是材料的熱性能。在工業(yè)壓力機(jī)中，起始材料必須承受約120°C。 但是在3D打印機(jī)中，材料的溫度為140°C，有時(shí)甚至高達(dá)200°C，“Siegwardt在解釋對材料的要求時(shí)說。“在那幾個(gè)月里，我測試的許多材料根本無法勝任這項(xiàng)工作，”他回憶道。但他的堅(jiān)持得到了回報(bào)，他終于找到了正確的配方。

由于他們的努力，薩爾大學(xué)的兩位研究科學(xué)家已經(jīng)建立了一種方法，可用于為這些閃閃發(fā)光的結(jié)構(gòu)彩色物體開發(fā)新的實(shí)際應(yīng)用。這一切都?xì)w結(jié)為一個(gè)軟殼和一個(gè)硬核。

該研究發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上。