ハーバード大学チームと東南大学は共同で、3Dプリントされたコロイドフォトニック結晶やスマートな偽造防止ラベルなどを準備した。

出典: ディープテック

自然界には鮮やかな色彩が存在します。その中には、青いモルフォ蝶、カメレオン、カブトムシなど、生物の特殊なマイクロナノ構造から生まれる特別な色彩があります。このような色は「構造色」と呼ばれ、この特殊な秩序を持ったマイクロナノ構造を持つ物質はフォトニック結晶と呼ばれます。

この特別に整列したマイクロナノ構造にヒントを得て、科学者たちは一連のフォトニック結晶材料を開発し、それを人民元偽造防止、低損失導波管、ダイナミックカラーディスプレイ、レーザー機器、高性能センサーデバイス、特殊染料やコーティングに応用しました。その中でも、コロイドフォトニック結晶は、低コスト、準備が簡単などの利点があるため、近年科学者に好まれています。

図 | 張宇（出典：データマップ）

物質の構造は、それがマクロ的なものであろうとミクロ的なものであろうと、その機能と密接に関係していることはよく知られています。そのため、科学者は、さまざまな用途の個別の機能要件を満たすために、コロイドフォトニック結晶に独自の構造設計を要求することがよくあります。しかし、現在のコロイドフォトニック結晶作製技術では、平面構造や単純な3次元構造しか実現できず、複雑な3D構造を持つ任意に設計されたコロイドフォトニック結晶を実現するための技術的手段はほとんどありません。

ナノ材料と 3D 印刷技術を組み合わせることで、科学者は従来の製造技術や 3D 印刷技術では実現できない特殊な機能を備えた 3D 材料を製造できる場合が多くあります。コロイドフォトニック結晶の 3D 印刷における難しさは、外部からの力の助けを借りずに、印刷された構造内でナノ材料を長距離にわたって整然と配置する方法にあります。

最近、ハーバード大学医学部と東南大学は共同でコロイドフォトニック結晶インクを設計・開発し、さらにデジタル光処理印刷技術と組み合わせることで、マクロ的な複雑な3D構造とミクロ的なサブミクロン規模の秩序構造の両方を備えたコロイドフォトニック結晶の製造に成功しました。さらに、チームは、印刷システム内のインク成分とプリンターの印刷パラメータを調整することで、印刷物の3D構造、光学的・機械的特性、刺激応答性などを容易に制御することに成功しました。

関連論文は「3Dプリント可能なコロイドフォトニック結晶」というタイトルでMaterials Todayに掲載された。ハーバード大学医学部のY. Shrike Zhang教授と東南大学バイオエレクトロニクス国家重点実験室のGu Zhongze教授が責任著者であり、東南大学の博士号を持つLiao Junlong氏が筆頭著者である。

図 | 関連論文（出典：Materials Today）

ある査読者はこの研究を高く評価し、「この技術はバイオニック材料のインテリジェント製造において幅広い応用の見込みがあり、バイオニック階層構造材料の製造に新たな道を開いた」とコメントした。

この研究は、張宇教授の研究室に客員研究員として在籍していた廖俊龍氏によって完了したものと理解されています。この研究室は3Dプリント技術を専門としており、廖俊龍氏自身もコロイドフォトニック結晶に関する経験を持っています。数回のブレインストーミングセッションを経て、廖俊龍氏と張宇教授はコロイドフォトニック結晶を3Dプリントするというアイデアを思いつきました。その後、国内外の指導者である張宇教授と顧中澤教授の指導と援助を受けて研究を完了しました。

この研究は主に2つの側面から成ります。1つは材料の準備、もう1つは3Dプリンターの構築です。まず、張宇教授の指導と研究室の仲間の協力のもと、廖俊龍さんは独自に3Dプリンター装置を構築した。その後、何度かの試行錯誤を経て、3Dプリントに使えるコロイドフォトニック結晶インクを作製した。

(出典: Materials Today)

次に、チームは構築したプリンターとインクに基づいてコロイドフォトニック結晶を3Dプリントする一連の作業を実行し、ダイナミックカラーディスプレイ、4Dプリントされたフォトニック結晶のフレキシブルロボット、特殊な偽造防止ラベルなどのアプリケーションを予備的に実証しました。

研究者らは、このコロイド光子結晶の3D印刷技術により、多機能コロイド光子結晶を簡単に作成できるため、自然界の特定の構造色生物（カメレオンなど）の複雑な階層構造と色操作戦略をさらにシミュレートでき、3D印刷コロイド光子結晶がスマートカラーディスプレイデバイス、3D統合センサー、バイオニック色変化ソフトロボット、スマート偽造防止ラベル、カスタマイズされた光センサーデバイスに広く使用されるようになると述べた。

注目すべきは、最近、張宇教授の研究室と東南大学のバイオエレクトロニクス国家重点実験室が臓器チップ関連の研究に取り組んでいることです。彼らはまた、将来的には、3Dコロイドフォトニック結晶構築技術が、臓器チップやその他の関連アプリケーションでカスタマイズされた光センサーデバイスとして使用できるようになることを期待しています。

写真 | 廖俊龍（出典：廖俊龍）

さらに、廖俊龍氏は、研究の初期段階でチーム全体が多くの問題に遭遇したと述べた。例えば、彼は材料についてはよく知っていましたが、3Dプリントについてはほとんど知らなかったため、このプロジェクトを受け取ったときにはかなりストレスを感じていました。

当時、彼の2人の指導者と研究室の他の同僚、特に機械工学の深い知識を持ち、論文の著者の一人でもあるカルロス・エツィオ・ガルシアメンデス・ミハレス氏は、彼に多大な援助と支援を与えてくれました。研究中、彼らは短期間で 3D プリンターのプロトタイプを完成させる必要がありました。カルロスは 2 日間連続でほとんど休みなく働き、3D プリンターの構築を完了することにこだわりました。

廖俊龍氏は学部から博士課程まで東南大学で学び、博士課程の途中でハーバード大学で2年間の客員研究を行ったとみられる。本研究も客員研究中に完成したものである。現在、彼は南京の生物学会社で科学研究関連の仕事に従事し続けています。

廖俊龍さんは、自分の興味や趣味は多岐にわたると話した。生活や仕事のあらゆる面で問題を見つけるのが得意で、さまざまな知識を学ぶことも好きだという。彼にとって、科学研究を行う上で最も楽しいことは、問題の発見と解決、実験上の期待の検証、「予期せぬ」実験現象の遭遇などのプロセスです。これらはすべて、とても楽しく、刺激的なことです。

ハーバード大学チームと東南大学は共同で、3Dプリントされたコロイドフォトニック結晶やスマートな偽造防止ラベルなどを準備した。

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