爱尔兰都柏林圣三一学院科研人员研究报道激光直写二氧化硅纳米颗粒纳米复合材料:从设计参数探究力学性能增强和结构颜色。相关研究以“Direct Laser Writing of Silica Nanoparticle Nanocomposites: Probing Mechanical Reinforcement and Understanding Structural Color from Design Parameters”为题发表在《Small》上。
纳米复合材料已在增材制造中得到广泛应用，可作为改变所制备结构的物理、化学和光学特性的一种手段。本文提出了一种适用于双光子聚合激光直写(DLW-2PP)的纳米复合材料。这些由二氧化硅纳米颗粒组成的材料通过物理增强和可控的光子特性为该技术带来了显著的附加价值。通过一步法制造工艺将其加入到丙烯酸酯光刻胶中，可形成具有大悬垂度的复杂结构。在高浓度的DLW光刻胶中加入150nm二氧化硅纳米颗粒，可以制造出显示反射颜色的复合微结构。利用常见的DLW设计参数(如切片距离和结构尺寸)，在溶液中使用设定浓度的纳米颗粒，可以展示出多种多样的结构颜色。利用数值建模来预测像素阵列在整个可见光谱范围内的反射波长，并利用这一信息将反射颜色编码到不同的像素阵列中。
图 1：通过激光直写制备二氧化硅纳米复合材料微结构。
图 2：a)用于制作雏菊结构的设计俯视图;b, c) 在95% 激光功率LP (47. 5 mW)和10000 µm s-1下使用光刻胶1制备的二氧化硅纳米复合微雏菊结构和细节的扫描电镜;d)变色龙俯视图。变色龙结构宽55µm，高5µm;e, f) 在80%激光功率LP (40 mW)和 10000 µm s-1 条件下使用光刻胶 1制备的变色龙结构和细节的扫描电镜;(b) 和 (e) 中的比例为10µm，(c) 和 (f) 中的比例为5 µm。
科研人员在确认可以使用二氧化硅纳米复合材料制造稳定的微结构后，研究了增强结构力学性能性能的能力。设计并制造出了能够轻松实现力学性能增强的结构。
图 3：a)用于制备直径为150µm、高度为30µm的圆形叶片结构的CAD模型俯视图;b)使用控制光刻胶2和光刻胶1制备的圆形叶片微结构和二氧化硅纳米复合材料圆形叶片结构的扫描电镜;d) 用于制备桥结构的CAD设计图俯视图，尺寸为10×10×20 µm(长×宽×高)，桥面尺寸为70×10×5µm(长×宽×高);e)使用光刻胶2对照组制备的桥微观结构的扫描电镜，以及f)使用光刻胶1制备的二氧化硅纳米复合材料桥结构，两种结构均在80% 激光功率LP (40 mW) 和10 000 µm s-1条件下制备;比例为10 µm。
图 4：二氧化硅纳米颗粒浓度对结构颜色的影响。
图 5：通过控制DLW中的切片距离，可以微调相邻颗粒之间的z距，从而微调微结构的光学特性。
科研人员利用双光子光刻技术，在丙烯酸酯基光刻胶中加入不同浓度的二氧化硅纳米颗粒，成功地制备出了3D微结构。首先，在相同的实验条件下，与纯光刻胶相比，二氧化硅纳米颗粒被证明能成功地对微结构进行力学性能加固。这种增强材料在软致动器的多材料制造中具有潜在的应用前景，可用于形成刚性区域以支撑较软的材料。
此外，二氧化硅纳米颗粒的存在超过了临界浓度，会给制备出的微结构着色。通过精确的结构设计和制造参数的调节，实现了从蓝色到红色光谱区域的多种可调颜色。此外，还解释了颜色生成的基本机制及其与体积分数、切片和像素尺寸的关系。对色彩生成的充分理解为显示器、防伪和加密领域的创新应用开辟了道路。
