雖然 3D 打印技術(shù)在過去十年里取得了顯著的進步，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是斯坦福大學電氣工程的助理教授，也是哈佛大學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。這消除了使用更標準的打印方法創(chuàng)建復雜設(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會?！?/p>

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，這種樹脂在藍光照射下會變硬。但是Congreve和他的同事們不能簡單地使用藍色激光——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)生藍光。通過在樹脂容器周圍移動激光，他們能夠創(chuàng)造出詳細的、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)化為高能的藍光光子。

通過一系列步驟（包括將一些材料放入Vitamix攪拌機中旋轉(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生成的打印促進了光聚合。

Congreve也在探索其他機會，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)動化學反應。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會來解決其他方面難以解決的挑戰(zhàn)性問題?！?/p>

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