近日，中科大冯伟教授（原马普所和香港中文大学博士后）、香港中文大学张立教授和马普所Metin Sitti教授等合作，在具结构色的三维微结构制造方面取得进展。相关成果以“Electric field-coupled two-photon polymerization system for on-demand modulation of 3D-printed structural color”为题发表在PNAS Nexus期刊。
结构性色彩微结构因其广泛的应用前景，激发了人们对其制备方法的高度研究兴趣。采用飞秒激光的双光子聚合（TPP）系统具有高空间分辨率，能够实现空间可控的化学反应，如化学键合和聚合反应，从而用于构建精细复杂的微结构。因此，TPP 已成为制备微尺度结构性色彩结构的广泛应用技术。
3D 微尺度结构性色彩结构的制备策略主要分为两类：自顶向下策略和自底向上策略。自顶向下策略通常通过打印木堆格架结构或纳米柱光栅，直接仿生自然界中的结构，这些结构的周期性一般位于可见光范围内（400–800nm）。尽管这种方法有效，但它依赖于专用的高分辨率光刻树脂，并且打印时间较长，从而限制了其实用性。
相较之下，自底向上策略利用自组装材料自发形成周期性纳米结构，例如胶体晶体或液晶。尽管这类方法颇具前景，但仍面临一些挑战。胶体晶体在激光曝光过程中容易被破坏，通常需要预固定处理；而液晶方法则受限于手性掺杂剂预设浓度的制约。因此，在打印过程中实时调控和固定结构色的能力仍是推动这些方法发展的重要目标。
此外，这两种策略通常都需要在打印后进行光刻显影处理，以去除未固化的树脂。这一步骤之所以重要，是因为结构色依赖于打印树脂与空气之间的折射率差异。然而，常用的光刻显影剂如乙酸-1-甲氧基-2-丙醇酯具有一定的危害性，长期接触对操作者健康构成显著风险。例如，乙二醇醚类溶剂可能对男女生殖系统造成危害，甚至可能引发全血细胞减少症；此外，另一种常用溶剂甲醇也与视野障碍相关联，进一步凸显了在微纳加工技术中消除有害后处理步骤的必要性。
当前实现这一目标的主要瓶颈在于缺乏可直接打印结构性色彩微结构、且无需光刻显影处理的适用树脂材料。
本文提出了一种新型的电场耦合双光子聚合（EF-TPP）技术，用于先进制造，并展示了其在结构性色彩微结构微纳加工中的应用。该方法所采用的电响应型树脂基于倾斜螺旋胆甾相液晶，又称螺锥型胆甾相液晶。
在打印完成结构性色彩微结构后，残留树脂可通过施加足够强度的电场被转变为无双折射的垂直取向状态，从而作为无色的结构背景。这一过程是通过电场诱导将螺锥型液晶相转换为垂直取向状态实现的。随后，利用紫外光泛光照射引发聚合反应，可将无双折射的垂直取向状态液晶树脂固化，避免了传统打印过程中对额外光刻步骤的依赖。
本研究的创新性主要体现在两个方面：
1.通过将电场调控与 TPP 技术相结合，实现了打印过程中树脂结构色的实时调控。相比基于光栅的自顶向下策略，这大大提高了打印效率。
2.本方法更加环保且对操作者更为安全，因为它完全避免了光刻显影步骤中有害溶剂的使用。
这项技术首次实现了三维打印过程中结构色的原位调控，推动了增材制造方法的发展，并拓展了其在智能微结构制造中的潜在应用前景。
图1. 电场耦合的双光子打印系统设计。
通过将电场与双光子聚合过程耦合，该方法增强了三维打印能力，支持自底向上的结构色微结构构建。同时，结合现有的电响应螺旋圆锥胆甾液晶材料，实现了打印过程中结构色的调控，并显著提升了打印速度。该方法可在无需更换树脂墨水的前提下，实现多种结构色微结构的制备。
图2.打印树脂设计。
图3. 打印参数优化。
图4. 具有多种结构色的微纳结构打印。
图5. 打印的多彩微纳马踏飞燕及温度响应性。
总结：这项工作将电场控制引入双光子聚合3D打印过程，开发了一种具有高自由度和高精度的结构色微结构制造方法，打破了传统制造对惰性材料的依赖，为场耦合增材制造提供了新范式，并拓宽了响应性材料在微纳制造中的应用边界。
论文信息：
Wei Feng, Shurong Sheng, Jiaqing He, Xiaopu Wang, Jiaqi Zhu, Jiangfan Yu, Jianhua Zhang, Fan Wang, Li Zhang, Metin Sitti, Electric field-coupled two-photon polymerization system for on-demand modulation of 3D-printed structural color. PNAS Nexus 2025, 4 (5), pgaf074.
https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgaf074
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