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  將響應性材料集成到制造系統中以實現實時性能調控的研究仍不充分，而這種集成有望提升打印的靈活性并拓展其應用潛力。在本研究中，中科大馮偉教授（原馬普所和香港中文大學博士后）、香港中文大學張立教授和馬普所Metin Sitti教授等提出了結構色領域中的“場耦合先進制造”概念，并以電場耦合雙光子聚合系統為例，用于構建具有結構色的微結構。結構性色的三維微結構在光學和防偽等應用中展現出巨大潛力。該系統利用電場在制造過程中調控液晶的自組裝行為，實現對結構色液晶材料（螺旋圓錐膽甾液晶墨水）的按需動態調控。同時，電場對液晶雙折射特性的調控能力，進一步省去了傳統光刻工藝，為結構色器件的制造提供了一種高效且具有廣泛適應性的全新途徑。

  近日，中科大馮偉教授（原馬普所和香港中文大學博士后）、香港中文大學張立教授和馬普所Metin Sitti教授等合作，在具結構色的三維微結構制造方面取得進展。相關成果以“Electric field-coupled two-photon polymerization system for on-demand modulation of 3D-printed structural color”為題發表在PNAS Nexus期刊。

  結構性色彩微結構因其廣泛的應用前景，激發了人們對其制備方法的高度研究興趣。采用飛秒激光的雙光子聚合（TPP）系統具有高空間分辨率，能夠實現空間可控的化學反應，如化學鍵合和聚合反應，從而用于構建精細復雜的微結構。因此，TPP 已成為制備微尺度結構性色彩結構的廣泛應用技術。

  3D 微尺度結構性色彩結構的制備策略主要分為兩類：自頂向下策略和自底向上策略。自頂向下策略通常通過打印木堆格架結構或納米柱光柵，直接仿生自然界中的結構，這些結構的周期性一般位于可見光范圍內（400–800nm）。盡管這種方法有效，但它依賴于專用的高分辨率光刻樹脂，并且打印時間較長，從而限制了其實用性。

  相較之下，自底向上策略利用自組裝材料自發形成周期性納米結構，例如膠體晶體或液晶。盡管這類方法頗具前景，但仍面臨一些挑戰。膠體晶體在激光曝光過程中容易被破壞，通常需要預固定處理；而液晶方法則受限于手性摻雜劑預設濃度的制約。因此，在打印過程中實時調控和固定結構色的能力仍是推動這些方法發展的重要目標。

  此外，這兩種策略通常都需要在打印后進行光刻顯影處理，以去除未固化的樹脂。這一步驟之所以重要，是因為結構色依賴于打印樹脂與空氣之間的折射率差異。然而，常用的光刻顯影劑如乙酸-1-甲氧基-2-丙醇酯具有一定的危害性，長期接觸對操作者健康構成顯著風險。例如，乙二醇醚類溶劑可能對男女生殖系統造成危害，甚至可能引發全血細胞減少癥；此外，另一種常用溶劑甲醇也與視野障礙相關聯，進一步凸顯了在微納加工技術中消除有害后處理步驟的必要性。

  當前實現這一目標的主要瓶頸在于缺乏可直接打印結構性色彩微結構、且無需光刻顯影處理的適用樹脂材料。

  本文提出了一種新型的電場耦合雙光子聚合（EF-TPP）技術，用于先進制造，并展示了其在結構性色彩微結構微納加工中的應用。該方法所采用的電響應型樹脂基于傾斜螺旋膽甾相液晶，又稱螺錐型膽甾相液晶。

  在打印完成結構性色彩微結構后，殘留樹脂可通過施加足夠強度的電場被轉變為無雙折射的垂直取向狀態，從而作為無色的結構背景。這一過程是通過電場誘導將螺錐型液晶相轉換為垂直取向狀態實現的。隨后，利用紫外光泛光照射引發聚合反應，可將無雙折射的垂直取向狀態液晶樹脂固化，避免了傳統打印過程中對額外光刻步驟的依賴。

  本研究的創新性主要體現在兩個方面：

  1.通過將電場調控與 TPP 技術相結合，實現了打印過程中樹脂結構色的實時調控。相比基于光柵的自頂向下策略，這大大提高了打印效率。

  2.本方法更加環保且對操作者更為安全，因為它完全避免了光刻顯影步驟中有害溶劑的使用。

  這項技術首次實現了三維打印過程中結構色的原位調控，推動了增材制造方法的發展，并拓展了其在智能微結構制造中的潛在應用前景。

圖1. 電場耦合的雙光子打印系統設計。

  通過將電場與雙光子聚合過程耦合，該方法增強了三維打印能力，支持自底向上的結構色微結構構建。同時，結合現有的電響應螺旋圓錐膽甾液晶材料，實現了打印過程中結構色的調控，并顯著提升了打印速度。該方法可在無需更換樹脂墨水的前提下，實現多種結構色微結構的制備。

圖2.打印樹脂設計。

圖3. 打印參數優化。

圖4. 具有多種結構色的微納結構打印。

圖5. 打印的多彩微納馬踏飛燕及溫度響應性。

  總結：這項工作將電場控制引入雙光子聚合3D打印過程，開發了一種具有高自由度和高精度的結構色微結構制造方法，打破了傳統制造對惰性材料的依賴，為場耦合增材制造提供了新范式，并拓寬了響應性材料在微納制造中的應用邊界。

  論文信息：

  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