表面能约束的多层喷墨打印技术，用于可定制的光学微结构

《Advanced Materials》：Surface Energy-Confined Multi-Layer Inkjet Printing for Customizable Optical Microstructures

本文提出一种表面能约束的多层喷墨印刷策略，通过预设计具有空间定义界面能壁垒的基底，实现3D光学微结构的精准制造。该策略可调节微穹顶的大小、固体角和构型，具有亚纳米级表面粗糙度和优异的光场调控能力，支持多焦成像。同时，该技术可扩展至光子晶体等纳米材料印刷，并基于微穹顶的光学独特性开发了多维加密方法，为高安全加密和智能成像设备提供新方案。

　　本文探讨了一种新型的表面能受限多层喷墨打印技术，用于精确制造具有可调尺寸、固角和结构的曲面光学微结构。这种技术突破了传统喷墨打印在三维微结构定制化制造方面的限制，为光学系统和智能成像设备的开发提供了新的可能性。喷墨打印作为一种简便的增材制造方法，因其快速、可扩展和集成化的特点，已被广泛应用于从材料创新到光学与电子工程等多个领域。然而，传统的喷墨打印在控制微结构的三维形态方面存在局限性，特别是由于喷墨液滴与基材之间的润湿特性相互作用，导致液滴接触角固定，难以实现对曲面微结构的灵活定制。

为了解决这一问题，研究团队提出了一种基于表面能约束的多层喷墨打印策略。该策略通过在预先设计的基材上进行逐层打印，利用空间分布的界面能势垒（IEB）来限制液滴的扩展，从而在紫外固化后形成具有超平滑表面的微穹顶结构。这种结构不仅具有精确的曲面轮廓，还能够实现对微穹顶高度的精细调控，而横向尺寸保持不变，从而实现了固角的可调性。此外，通过调整IEB图案，还可以实现不同拓扑结构的微三维打印，例如三角形、六边形等，这使得该技术在高通量、可定制的光学微结构制造中展现出显著优势。

在实验过程中，研究人员首先制备了具有界面能势垒的基材。基材的表面能分布通过光刻技术和选择性疏水分子修饰实现。这种方法能够在高表面能的基材上形成低表面能的区域，从而形成显著的界面能势垒。这些势垒的存在使得液滴在接触基材时能够被有效限制，防止其扩散或融合，从而形成独立且均匀的微穹顶结构。为了确保打印过程的稳定性，研究人员还优化了可打印的聚合物墨水配方，使其具备适合喷墨打印的粘度、表面张力和沸点等特性。通过精确控制打印参数，如电压和频率，可以实现液滴的稳定喷射，避免卫星滴的形成，从而保证打印质量。

在多层打印过程中，研究人员观察到液滴在不同打印层之间的动态行为。当液滴落在高表面能区域时，会首先自由扩展至最大半径，随后由于界面能势垒的作用，液滴边缘会向内收缩，形成具有一定高度的薄膜结构。随着打印层数的增加，液滴在相互作用下逐渐融合，形成一个完整的微穹顶。通过逐层打印，微穹顶的高度可以被精确调节，而横向尺寸则保持不变，从而实现了固角的可调性。这种可控的固角特性使得微穹顶能够用于多焦点成像，即在不同的成像距离下，可以清晰地观察到目标图案，而不会出现明显的失真。

除了用于聚合物微结构的打印，该技术还被扩展至纳米材料的三维打印，如光子晶体（PhC）微穹顶。通过逐层打印，研究人员成功制造了具有可调三维形态的PhC微结构。这些微结构在紫外固化后能够呈现出均匀的绿色结构色，同时其反射光谱特性也随着打印层数的变化而变化。例如，24层打印的PhC微穹顶在不同角度下表现出显著的蓝移现象，而随着打印层数的增加，这种角度依赖性逐渐减弱。通过这种特性，研究人员开发了一种基于角度分辨光谱的加密策略，使得信息在视觉上难以识别，但在光谱上具有独特的编码特征。这种加密方式不仅具有高分辨率和多维性，还能够实现单像素级别的信息处理，为高安全性信息加密和机器可读的防伪技术提供了新的思路。

在光学性能方面，研究团队对打印的微穹顶结构进行了系统测试。使用连续波半导体激光器（波长分别为457、532和660纳米）进行光场测试，结果表明微穹顶能够有效地聚焦光束，并在不同的成像距离下呈现出清晰的图像。通过调整打印层数，可以实现对焦距的连续调控，从而满足不同应用场景的需求。此外，研究人员还对打印的微结构进行了表面粗糙度、接触角、光学显微镜成像、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等多方面的表征，验证了其在光学功能上的优越性。

研究团队进一步利用该技术开发了一种非成像的多维加密平台。该平台通过调整微结构的三维形态，实现了角度和空间分辨的加密功能。加密过程包括三个关键步骤：首先，通过角度分辨光谱扫描获取每个像素的光谱信息；其次，根据预设的编码规则对光谱数据进行分割和解码；最后，通过二进制矩阵排列的方式重建图像。实验结果表明，该加密方式在视觉上无法区分加密内容，但在光谱分析中却能够精准还原信息，这使得其在信息安全和防伪技术领域具有广阔的应用前景。

从材料兼容性来看，该打印策略不仅适用于紫外固化聚合物，还能够用于纳米材料的三维打印。研究人员通过调整打印参数和IEB设计，成功实现了不同类型的纳米材料微结构的制造，如具有可调形状的光子晶体微穹顶。这种技术的灵活性使得它能够应用于更广泛的光学功能设计，包括动态聚焦、色散调控和偏振控制等。此外，由于该技术能够在保持结构一致性的前提下实现不同角度下的光谱响应，因此在高精度光学系统和动态彩色显示等领域也展现出巨大潜力。

综上所述，这项研究提出了一种基于表面能约束和逐层打印的微三维喷墨打印技术，成功实现了对曲面光学微结构的精确控制。该技术不仅能够制造具有可调尺寸和固角的微结构，还能够扩展至纳米材料的三维打印，从而为未来的光学系统和智能设备开发提供了新的工具和方法。此外，该技术在信息加密和防伪领域的应用也表明了其在实际工程中的重要价值。通过进一步优化打印工艺和材料选择，这种技术有望在未来推动更多创新性的光学应用，为微型化、智能化的光学器件设计开辟新的方向。