宾夕法尼亚州立大学开发3D打印智能变色应力响应材料

2025年5月4日，南极熊获悉，宾夕法尼亚州立大学工程与应用科学学院的一支多学科研究团队，成功开发出一种用于3D打印胆甾型液晶弹性体（CLCE）的创新方法。该技术结合先进的打印工艺与CLCE独特的光学特性，为动态变色材料在智能传感、柔性显示与软体机器人等前沿领域的应用奠定了基础。

△相关研究已发表在《Advanced Materials》期刊上，题目为“三维结构中胆固醇液晶弹性体的同轴直接墨水写入技术”（传送门）

CLCE是一种柔性橡胶状材料，具备独特的光控能力，能够在受到机械应力时产生结构色变化。这一性质源于材料内部有序的扭曲螺旋结构，类似于某些昆虫外壳对光线的反射机制。

△硅胶支撑CLCE线材的同轴3D打印

研究负责人、材料科学与工程系主任Shu Yang教授表示。“颜色的变化并非来自颜料，而是材料对光的结构性干涉，就像某些甲虫壳在不同角度下呈现出五彩斑斓的视觉效果。这类材料具有广泛的潜力，可应用于可穿戴医学设备、非侵入式诊断系统、实时监测平台，甚至在未来的艺术与建筑中发挥作用。”

△剪切作用下胆甾相的形成

本研究的核心突破在于研发出一种名为同轴直接墨水写入（DIW）的新型3D打印技术。该方法能够高精度打印多稳定、可变色的复杂结构，克服了传统方法中CLCE材料在打印过程中的流动性与结构形成之间的矛盾。

△打印CLCE硅胶条的机械变色特性

材料科学与工程系博士生、论文第一作者Alicia Ng介绍道“在将2D结构转化为3D结构时，CLCE前驱液因粘度过高，阻碍了内部扭曲螺旋结构的形成，而这一结构正是实现结构色响应的关键。”

这种创新的同轴材料组合，在保留CLCE变色响应能力的同时，显著提升了成品结构的稳定性与可打印性。Ng补充道：“为应对这一挑战，研究团队设计出一种透明硅胶外壳包覆方案，为CLCE核心提供必要的机械支撑。”

这项技术不仅提高了CLCE材料在3D打印过程中的兼容性，还扩展了CLCE材料可设计性和功能性，为面向未来的功能性材料开发提供了新路径。