基于Christiansen效应的3D打印UV固化树脂实现弹性体连续变色及其在自适应光学中的应用

本研究针对传统染料着色材料毒性高、稳定性差的问题，开发了一种基于Christiansen效应的UV固化树脂。通过溶剂（DMP/TBC）调控相分离弹性体（PSE）的双连续相折射率匹配，实现了无染料结构色（90%单色光选择性透射）和连续变色（红-紫全光谱）。材料兼具优异力学性能（断裂伸长率>600%，模量>300 kPa）和宽温域稳定性（-25°C-130°C），并兼容3D打印实时溶剂调控技术，为自适应光学器件和智能显示提供了新策略。

　　

在智能材料领域，实现材料的动态光学调控一直是个重大挑战。传统染料着色不仅存在毒性隐患，还容易褪色；而光子晶体等结构色方案又面临制备复杂、观察条件苛刻等限制。更棘手的是，现有技术难以同时满足力学性能、环境稳定性和加工便捷性的要求。面对这些瓶颈，西安电子科技大学的研究团队独辟蹊径，从百年物理效应——Christiansen效应中找到了突破口。

这项发表在《iScience》的研究，创新性地将Christiansen效应与3D打印技术结合。研究人员通过精确调控溶剂（二甲酸二甲酯DMP/柠檬酸三丁酯TBC）与聚合物相的折射率匹配，使相分离弹性体（PSE）能选择性透射特定波长（如623 nm红光透射率达89.6%），实现了无染料的动态变色。这种材料不仅展现出彩虹般的全光谱变色能力，还兼具优异的力学性能（850%断裂伸长率）和-25°C-130°C的宽温域稳定性。更突破的是，该树脂可直接用于常规LCD 3D打印机，通过实时调节溶剂比例实现空间连续渐变色打印，为智能显示和自适应光学器件开发提供了全新思路。

关键技术包括：1）通过阿贝折光仪精确测定HEA单体与PHEA的折射率差异（1.4450→1.4965）；2）利用差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）确定材料工作温域；3）结合扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征微米级双连续相结构；4）开发含0.2%光引发剂819和0.1%奥尼斯特326（Omnistab 326）的3D打印配方。

【构建与表征相分离系统】
研究发现羟基丙烯酸乙酯（HEA）在不良溶剂中会形成独特的双连续相结构：聚合物相呈现微米级褶皱（SEM显示<1μm），而溶剂相保持液态连续相。这种结构既避免了颗粒聚集导致的光散射，又为Christiansen效应提供了折射率匹配的基础。

【光学与力学性能表征】
通过调节DMP/TBC比例（0-25% TBC），材料折射率可在1.4990-1.5048间精准调控，对应颜色从红（623 nm）到紫（405 nm）连续变化。AFM和SAXS证实该过程未形成纳米级有序结构，而是通过溶剂诱导的聚合物链卷曲实现。力学测试显示所有配比PSE的模量均>300 kPa，其中PSE-0.6的断裂伸长率高达850%。

【热响应光学行为】
温度升高会引发类似增加TBC含量的效果——材料颜色蓝移。例如PSE-0.3在50°C时红区（800 nm）透射率升至89%，而75°C时峰值移至558 nm（绿光）。DSC与TGA证实材料在-25°C（溶剂凝固点）至130°C（溶剂挥发起始温度）间稳定工作。

【3D打印梯度弹性体】
通过自动供料系统实时调整TBC含量（0-25%），在保持打印参数（100μm层厚，5.8s/层曝光）不变前提下，成功打印出红-紫渐变的塔状结构。添加奥尼斯特326有效抑制了固化过度，但需严格控制用量以避免削弱蓝紫光区Christiansen效应。

这项研究开创性地将物理效应转化为实际应用方案：1）首次实现Christiansen效应在3D打印中的动态控制；2）突破结构色材料力学性能差的桎梏；3）开发出兼容工业标准打印工艺的智能树脂。尽管溶剂挥发问题仍需通过封装解决，但该技术已为自适应光学透镜、温度响应标签和多材料打印提供了全新设计范式。正如作者指出，这种"光学性能-力学性能-加工性能"的协同优化策略，将为下一代智能材料开发树立标杆。