Adv.Mater.︱聲學製造實現粒子組裝

引言

定向裝配是製造特定功能的顆粒複合材料和聚集體有效方法。靜電、磁場和光學領域已被用於圖案粒子結構；流場、界面（表面張力）和表面功能化可以促進組裝過程。但是，這些方法都不適用於複雜的任意形狀物體的平行組裝。基於此，聲場聲音用於操縱粒子，具有無接觸性、波長可量測性、強度超過數量級及液體的低衰減性等使其成為探索未來快速製造的潛在應用方法。然而，用現有的方法，利用聲場以任意形狀進行粒子組裝是不可行的。Peer Fischer等最近展示了聲學全息圖如何通過塑造通過結構化相位板傳播的聲波來克服這個困難。這些元素可以3D列印，實現靜態的高清聲場，研究者將聲學製作看作一個過程，在這個過程中，聲場將粒子排列成任意（可能是3D）形狀，然後立即綁定整個組件以創建永久物體。

圖文分析

圖1顯示了聲學製造的一般方案。該過程從粒子在合適相（例如液體）中的均勻分散開始（圖1a）。然後創建一個超聲場，將粒子引導到體積內的優先位置（圖1b）。使用聲學全息技術可以高保真地構造聲壓分布，並且獨立於主容器的幾何形狀。顆粒用引發劑官能化並分散在非交聯聚合物溶液中。用UV光照射時，顆粒結合在一起，而主體聚合物溶液保持不受影響。最終產品（圖1c）是可以從懸浮液中取出的固定顆粒複合物，該固定方法的主要優點在於它將程序集作為一個整體進行綁定，包括可能的整個3D構造。

圖2a示出了從圖像底部的插圖中顯示的全息圖恢復的圖像平面中測得的聲壓分布。在超聲波施加約20秒後，PDMS珠的組裝可以在圖2b中看到。

圖3說明了引發劑負載的PDMS顆粒的官能化方案。首先，如Johnson等人所述製造PDMS顆粒。隨後乾燥。然後將顆粒浸入丙酮和光引發劑2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮（DMPA）的溶液中，該光引發劑顯示出從310至390nm的強紫外光吸收。丙酮導致小珠的適度溶脹並因此促進引發劑的吸收。

圖4顯示了我們使用這種方法製作的字母表的不同字母。這些物體是機械穩定的，自支撐的，如圖4a，b所示。圖4c顯示了交聯顆粒複合物的特寫視圖，顯示了覆蓋PDMS微粒的PEG-DMA聚合物組分的均勻性和連續性。

結論

該項研究揭示了聲學全息圖從粒子形成任意複雜組件的可能性，並且形成永久物體。對於在UV-交聯劑中浸泡的有機硅顆粒證明這一點。將聲學組件擴展到其他材料將為化學固定提供更多的靈活性；也可以使用其他輸入來啟動聲學加工中的顆粒交聯；由於全息圖通常編碼3D場，將該方法擴展到真正的3D對象組裝，但是這很可能需要使用反向傳播的超聲場來減小縱向輻射力。聲學製造創新提出了一個平行的方案，可能幾秒鐘形成任意形狀的對象，也可能應用在3D中。

參考文獻：

Adv. Mater. 2018, 30, 1704507

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