研究人員利用三維打印技術開發出神奇的新材料

　　普林斯頓大學(Princeton)的工程師們開發出了一種可擴展的三維打印技術，用于生產具有可定制的伸展性和柔韌性的軟塑料，同時還具有可回收性和成本效益–這些特性在市售材料中很少能同時具備。

　　與需要復雜加工的類似材料不同，這種塑料可以用 3D 打印機制作。

　　在發表于Advanced Functional Materials的一項研究中，由艾米麗-戴維森(Emily Davidson)領導的研究小組詳細介紹了他們如何利用熱塑性彈性體–一類可廣泛使用的聚合物–來制造出具有可調節剛度的3D打印結構。 通過設計三維打印機的打印路徑，工程師們可以對塑料的物理特性進行編程，使設備在一個方向上伸展和彎曲，而在另一個方向上保持剛性。

　　化學與生物工程助理教授戴維森強調了這項技術在軟機器人、醫療設備、假肢、輕質頭盔和定制高性能鞋底等領域的潛在應用。

　　材料性能的關鍵在于其最微小的內部結構。 研究小組使用了一種嵌段共聚物，這種嵌段共聚物能在具有彈性的聚合物基質中形成厚度為5-7納米(相比之下，人類頭發的厚度約為90000納米)的堅硬圓柱結構。 研究人員利用三維打印技術為這些納米級圓柱體定向，從而獲得了一種在一個方向上堅硬，但在幾乎所有其他方向上柔軟且具有彈性的三維打印材料。 設計人員可以將這些圓柱體定向到單個物體的不同方向，從而設計出在物體的不同區域表現出硬度和伸展性的軟結構。

　　戴維森說：”我們使用的彈性體能形成我們能夠控制的納米結構。 這使設計人員能夠在很大程度上控制成品。我們可以創造出在不同方向上具有定制特性的材料”。

　　開發這種工藝的第一步是選擇合適的聚合物。 研究人員選擇了一種熱塑性彈性體，這是一種嵌段共聚物，可作為聚合物熔體進行加熱和加工，但冷卻后會凝固成彈性材料。 在分子水平上，聚合物是由相互連接的分子組成的長鏈。 傳統的均聚物是由一個重復分子組成的長鏈，而嵌段共聚物則是由不同的均聚物相互連接而成。 嵌段共聚物鏈上的這些不同區域就像油和水，它們相互分離而不是混合。 研究人員利用這一特性生產出了在具有伸縮性的基質中含有堅硬圓柱體的材料。

　　研究人員利用他們對這些嵌段共聚物納米結構如何形成及其對流動的反應的了解，開發出了一種三維打印技術，能有效地促使這些堅硬的納米結構排列整齊。 研究人員分析了如何利用打印速度和受控欠擠壓來控制打印材料的物理性質。

　　文章的第一作者、普林斯頓大學研究生愛麗絲-費格森(Alice Fergerson)介紹了這項技術，以及熱退火–對材料進行有控制的加熱和冷卻–所發揮的關鍵作用。

　　　　通過控制材料的內部結構，工程師可以制造出具有各種特性的物體。 圖片來源：Sameer A. Khan/Fotobuddy

　　“我認為這項技術最酷的部分之一就是熱退火所發揮的多種作用–它既能大幅提高打印后的性能，又能讓我們打印出來的東西多次重復使用，甚至在物品損壞或破損時還能自我修復。”

　　戴維森說，該項目的目標之一是創造出具有局部可調機械特性的軟材料，使工業界既能負擔得起，又能擴大規模。 利用液晶彈性體等材料可以制造出具有局部可控特性的類似結構。 但戴維森說，這些材料既昂貴(每克高達 2.50 美元以上)，又需要經過多道工序加工，包括仔細控制擠壓，然后暴露在紫外線下。 戴維森實驗室使用的熱塑性彈性體每克成本約為 1 美分，可以用商用 3D 打印機打印。

　　研究人員展示了他們的技術在熱塑性彈性體中加入功能添加劑的能力，而不會降低控制材料特性的能力。 在一個例子中，他們加入了一種由 Lynn Loo 教授研究小組開發的有機分子，這種分子能使塑料在紫外線照射下發出紅光。 他們還展示了打印機生產復雜多層結構的能力，包括一個小塑料花瓶和用急轉彎拼出 PRINCETON 的印刷文字。

　　退火在他們的工藝中發揮了關鍵作用，它提高了內部納米結構秩序的完美性。 戴維森說，退火還能實現材料的自愈特性。 作為這項工作的一部分，研究人員可以切割打印塑料的柔性樣品，并通過退火將材料重新連接起來。 修復后的材料顯示出與原始樣本相同的特性。 研究人員說，他們觀察到原始材料和修復材料之間”沒有明顯差異”。

　　下一步，研究小組將開始探索新的三維可打印架構，這些架構將與可穿戴電子設備和生物醫學設備等應用兼容。