3D打印技术，它实现于20世纪90年代，经过20多年的发展，在医疗、航空、建筑等领域均得到了广泛应用。那3D打印到底是什么意思呢？
3D打印，它区别于普通的平面打印，是实现了三个维度的堆砌，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，根据编辑好的程序，在X,Y,Z轴上将模型展现出来，最终把计算机上的蓝图变成实物。
通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、玩具车甚至食物等。之所以称其为“打印机”是因为这个过程的原理就像打印机喷墨一样，所以俗称3D打印技术。
随着3D打印技术和纳米技术的发展，以及3D光子晶体结构应用潜力的挖掘，科学家们逐渐开始研究在微观尺度内3D打印技术的应用，尝试将3D打印技术应用到集成光学元件、集成电路、防伪标签等应用中，这就必须具备对3D光子晶体进行精确图案和定位的能力，但现阶段的研究水平无法在微观范围内在三个维度上打印出任意模型。
近期，新加坡科技大学的研究人员发明了3D打印的光子晶体，通过一种热诱导收缩工艺，使其晶格常数降低5倍，实现了100纳米以下的特征及各种颜色，研究人员使用这些光子晶体作为3D彩色元素，成功地打印出了第一个彩色3D微观结构模型，其高度仅为39 µm，彩色像素大小为1.45 µm。
研究人员使用双光子光刻系统（Nanoscribe GmbH Photonic Professional GT）和商用的丙烯酸酯光致抗蚀剂IP-DipTM直接打印出聚合物光子晶体，如图3a所示，其轴径小至475nm；随后，在氩气环境中将光子晶体加热到450±20°C，使得光子晶体减小约80％，进而生产出最小晶格约为280nm的结构，远远超出了现有双光子聚合光刻系统分辨率的极限。
光子晶体晶格常数的减小导致颜色随收缩程度而变化。加热前，光子晶体的反射率很弱，没有观察到颜色（图3i）；加热后，随着结构的收缩，颜色从无色逐渐变为黄色、蓝色和紫色（图3j-l）。
为了演示在微观水平上打印3D模型的能力，研究人员制作了埃菲尔铁塔的微观模型，如图4所示，埃菲尔铁塔具有坚固的形状和结构，在热收缩后仍保持完好无损，并且表现出鲜艳的色彩，高约54µm的埃菲尔铁塔可以完全以蓝色或红色进行3D打印，表明了这种方法具有较宽的色彩范围。同时，为了证明该方法的多功能性和稳定性，研究人员又打印制作了红色结构的20µm高的汉字“福”字。
除此之外，研究人员制作了艾菲尔铁塔和新加坡艺术科学博物馆的全彩色3D打印件，进而证明了打印3D彩色结构的能力，如图4f和图5所示，制作的埃菲尔铁塔3D模型高度仅为39µm，包括绿色，橙色和紫红色。该模型可实现的最小彩色像素尺寸仅有1.45µm。
研究人员所使用的热诱导收缩方法能够轻松超过3D双光子聚合光刻系统的分辨率极限，以打印组成晶格基础的光子晶体进而呈现各种颜色的3D模型。这种在微观尺度上以彩色打印3D模型的技术，未来有望在微型光学组件和3D集成光子电路的开发领域得到广泛应用，同时有望将光谱设备直接构图和集成到自由形式的光学元件和曲面上，未来将极大地便利我们的科研生活。
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12360-w
文章来源：高分子科学前沿
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