雖然 3D 打印技術(shù)在過去十年里取得了顯著的進(jìn)步，但這項技術(shù)仍然面臨著一個根本的限制 : 物體必須一層一層地構(gòu)建起來。 不過，有沒有辦法可以改變這種現(xiàn)狀 呢？
一種新的3D打印工藝制造出的船形雕像，它可以在一體積的樹脂中打印出一個物體，就像一個漂浮在果凍塊中心的動作人物一樣，而不必一層一層地構(gòu)建物體。來源：Dan Congreve
Dan Congreve是斯坦福大學(xué)電氣工程的助理教授，也是哈佛大學(xué)羅蘭研究所的前研究員，他和他的同事們已經(jīng)開發(fā)出一種在固定體積的樹脂中打印3D物體的方法。打印出來的物體完全由厚厚的樹脂支撐——想象一個漂浮在一塊果凍中心的動作人物，所以它可以從任何角度添加到果凍中。這消除了使用更標(biāo)準(zhǔn)的打印方法創(chuàng)建復(fù)雜設(shè)計時通常需要的支撐結(jié)構(gòu)。最近發(fā)表在《自然》雜志上的新的3D打印系統(tǒng)，可以使打印日益復(fù)雜的設(shè)計變得更容易，同時節(jié)省時間和材料。
用于3D打印的三重態(tài)融合上轉(zhuǎn)換。
Congreve說:“這種體積打印的能力可以讓你打印出以前非常困難的物體。這是3D打印向前發(fā)展的一個非常令人興奮的機(jī)會。”
使用燈光打印
研究人員通過透鏡聚焦激光，并將其照射到一種凝膠樹脂中，這種樹脂在藍(lán)光照射下會變硬。但是Congreve和他的同事們不能簡單地使用藍(lán)色激光——樹脂會在整個光束長度上固化。相反，他們使用了一種紅光和一些巧妙設(shè)計的納米材料，分散在樹脂中，只在激光的精確焦點處產(chǎn)生藍(lán)光。通過在樹脂容器周圍移動激光，他們能夠創(chuàng)造出詳細(xì)的、無支撐的打印品。
來源：Dan Congreve
Congreve的實驗室專門研究一種波長的光轉(zhuǎn)換為另一種波長的光，這種方法被稱為三態(tài)聚變上轉(zhuǎn)換。通過正確的分子相互靠近，研究人員可以創(chuàng)造出一種能量轉(zhuǎn)移鏈，例如，將低能的紅光光子轉(zhuǎn)化為高能的藍(lán)光光子。
通過一系列步驟（包括將一些材料放入Vitamix攪拌機(jī)中旋轉(zhuǎn)），Congreve和他的同事能夠?qū)⒈匾纳限D(zhuǎn)換分子形成不同的納米級液滴，并將其包裹在保護(hù)性二氧化硅外殼中。然后，他們將得到的納米膠囊分布在整個樹脂中，每個納米膠囊的寬度都比人類頭發(fā)的寬度小1000倍。
Congreve實驗室的博士后研究員、該論文的主要作者之一TracySchloemer說：“弄清楚如何使納米膠囊變得堅固并非易事，3D打印樹脂實際上相當(dāng)苛刻。如果這些納米膠囊開始分解，上轉(zhuǎn)換能力就會消失。所有內(nèi)容物都會溢出，你無法獲得你需要的分子碰撞。”
光轉(zhuǎn)換納米膠囊的下一步
研究人員目前正在研究改進(jìn)3D打印技術(shù)的方法。他們正在研究同時打印多個點的可能性，這將大大加快該過程，以及以更高的分辨率和更小的比例打印。
由UCNC生成的打印促進(jìn)了光聚合。
Congreve也在探索其他機(jī)會，將這種上轉(zhuǎn)換納米膠囊投入使用。例如，通過將無法使用的低能光轉(zhuǎn)換為太陽能電池可以收集的波長，它們可能有助于提高太陽能電池板的效率。或者，它們可以用來幫助研究人員更精確地研究可以用光觸發(fā)的生物模型，甚至在未來提供局部治療。
Congreve說：“你可以用紅外光穿透組織，然后用這種上轉(zhuǎn)換技術(shù)將紅外光轉(zhuǎn)化為高能光，例如，驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。我們在納米尺度上控制材料的能力為我們提供了很多非常好的機(jī)會來解決其他方面難以解決的挑戰(zhàn)性問題。”
來源：Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04485-8. www.nature.com/articles/s41586-022-04485-8
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