目前，通過粉末燒結(jié)過程產(chǎn)生具有高色彩保真度的白色和彩色3D打印物體的過程受到打印過程中使用的熱敏劑的脫色的限制。在這里，研究人員通過使用可切換的光致變色氧化鎢納米粒子解決了這個(gè)問題，即使在高濃度下它們也無(wú)色。在紫外線照射下，氧化鎢納米粒子可以可逆地活化，使其在紅外線中具有很高的吸收率。

圖形摘要

近年來，出現(xiàn)了具有先進(jìn)功能的新一代復(fù)合材料，它通過利用納米材料的獨(dú)特性能，在常規(guī)和先進(jìn)制造領(lǐng)域開辟了動(dòng)態(tài)新領(lǐng)域。最早用于3D打印材料的示例是通過將聚合物與陶瓷納米顆粒(nanoparticles, NPs) （例如氧化鋁和納米粘土共混來創(chuàng)建納米復(fù)合材料，以改善打印物體的機(jī)械性能。最近，碳納米材料，如碳納米棒、石墨烯和核-殼結(jié)構(gòu)已被用于通過激光燒結(jié)改善3D打印的機(jī)械性能并通過各種方法產(chǎn)生導(dǎo)電物體。銀納米顆粒也已用于制造抗菌3D印刷品；金納米墨水已用于制造3D打印的電化學(xué)反應(yīng)器以進(jìn)行催化，壓電致動(dòng)器和傳感器已使用BaTiO3 NP-聚合物納米復(fù)合材料印刷。

納米材料已顯示出可能破壞當(dāng)前增材制造（AM）技術(shù)的另一個(gè)領(lǐng)域是控制物體的美學(xué)特性。傳統(tǒng)的3D打印是以單色打印的，并且之后必須上漆或染色。在此之前已經(jīng)將不同顏色的粉末分級(jí)以產(chǎn)生“雙色調(diào)”效果進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，但這是一個(gè)繁瑣的過程，最近的研究集中在使用Hopkinson等人開發(fā)的使用“高速燒結(jié)”方法，在打印過程中將彩色墨水與熱敏墨水一起噴墨到粉末中。但是，這些印刷品的色彩保真度在很大程度上取決于所用增敏劑的性能。金納米棒(Gold nanorods, GNRs)可作為光熱敏化劑使用，可以使用低功率光源將聚合物粉末快速燒結(jié)成3D對(duì)象，而不會(huì)顯著改變其美學(xué)特性。通過調(diào)節(jié)金屬的共振吸收來實(shí)現(xiàn)。

GNR進(jìn)入近紅外（NIR），僅在可見光中留下微弱的吸收。盡管這項(xiàng)研究顯示出優(yōu)異的結(jié)果，但使用金納米棒作為光熱敏化劑仍存在一些缺點(diǎn)。GNR在燒結(jié)新型高性能聚合物（例如PEEK）（熔化溫度343 C））所需的極高溫度下不穩(wěn)定，但至關(guān)重要的是，GNR本質(zhì)上在可見光譜范圍內(nèi)吸收較弱，這會(huì)影響高濃度使用時(shí)的印刷品著色，對(duì)可使用的GNR數(shù)量施加了固有限制，而不會(huì)影響印刷對(duì)象的色純度。實(shí)際上，對(duì)于幾乎所有用于光熱研究的等離子體吸收器，這都是一個(gè)問題，因?yàn)樗鼈冊(cè)诳梢姽庵械奈瘴膊吭诖罅看嬖贜P時(shí)變得很重要。

為了在3D打印中達(dá)到較高的色純度，我們假設(shè)不使用永久性吸收體來產(chǎn)生熱量，而是使用可切換吸收體使我們可以打印出具有很高色純度和白度的對(duì)象。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)閺?qiáng)烈著色的粉末會(huì)限制印刷品的色域，這會(huì)對(duì)印刷品的條形碼和美學(xué)和應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響。這只有當(dāng)需要它們來促進(jìn)光熱燒結(jié)時(shí)，它們才具有強(qiáng)的光吸收特性，否則它們將是透明的。本質(zhì)上，這些可切換的吸收體將用作可編程元件，在3D打印過程中，最好對(duì)它們進(jìn)行編程，以光學(xué)方式進(jìn)行編程，以將其打開并用作光熱敏化劑，而隨后將其關(guān)閉。為此，研究人員尋求使用光致變色材料，其吸收可以通過外部光學(xué)刺激來改變。

來自西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所的研究人員2020年4月27日在Nano Letters上發(fā)表了了一種新的敏化劑的使用，該敏化劑已被證明可以輕松克服上述問題。

▲圖1.（a）紫外線照射20 s前后GNR，炭黑和WO3納米晶體的吸收?qǐng)D。為了清楚起見，還顯示了包含每種材料的濃縮溶液的小瓶的照片。（b）808 nm激光通過WO3溶液的透射，同時(shí)樣品被紫外線激發(fā)。插圖顯示了WO3 NP的TEM圖像；比例尺代表20 nm。（c）照射前后粒子的拉曼光譜。在光照之前（d）和光照之后（e），來自WO3 NC的W 4f核心能級(jí)的XPS光譜。

在他們的研究中，研究人員報(bào)告了使用由氧化鎢制成的納米粒子作為聚合物粉末的光熱敏化劑。這些納米粒子包含低成本元素，這使其易于制造且廉價(jià)。它們?cè)诟邼舛认率菬o(wú)色的，并且在近紅外區(qū)域具有很強(qiáng)的吸收性，證明了它們能夠以快速的速度將光轉(zhuǎn)化為熱量，因此使其成為快速的定影劑。此外，可以通過電或紫外線有效地打開或關(guān)閉它們。甚至，它們?cè)诜浅８叩臏囟认乱埠芊€(wěn)定，并且與其他可用的敏化劑相比，其顯示的變色率更高。最后，當(dāng)與其他彩色墨水混合時(shí)，這些納米粒子已經(jīng)能夠再現(xiàn)與原始粉末相同的色調(diào)，從而保持了原始樣品的顏色純度。

▲圖2. 激光燒結(jié)樣品的含量為0.08％（重量）。CB-PA12粉末（a），1％wt。WO3-PA12粉末（b），和0.03重量％。GNR-PA12粉末。樣品是帶有空心字母的燒結(jié)矩形。（選擇濃度以提供相等的熱量）。（d）將不同濃度的彩色墨水滴到三種粉末上的照片，突出了NP吸收對(duì)每種原色的影響。

該研究結(jié)果為等離激元納米粒子的使用開辟了一條新途徑，可用于為高級(jí)制造工藝生產(chǎn)高顏色質(zhì)量的3D多色物體。

本文來源：Alexander W. Powell et al. On-Demand Activation of Photochromic Nanoheaters for High Color Purity 3D Printing, Nano Letters (2020).