浙江大學3D打印最新Nature!

柔性和彈性的結合使得彈性體在包括汽車、建筑和消費品在內的廣泛行業中都是必不可少的。此外，它們在諸如微流體、軟機器人、可穿戴電子產品和醫療設備等新興領域具有越來越大的吸引力。具有足夠的機械強度是對于任何應用的先決條件。因此，解決軟與強之間看似矛盾的屬性一直是一個永恒的追求。天然蜘蛛絲具有非凡的強度，為設計合成柔軟材料提供了源源不斷的靈感。盡管其獨特的超結構難以復制，但設計分層結構的更廣泛原則為設計機械強度高的彈性體提供了有用的提示。然而，上述設計原理不能直接用于基于光固化的數字光處理(DLP) 3D打印。DLP印刷需要快速光固化來實現必要的快速凝膠。因此，光樹脂通常含有相當數量的多功能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，這嚴重限制了分子設計的自由度。此外，快速固化會導致不均勻的網絡形成和殘余應力，這也不利于力學性能。3D打印大規模生產的潛力受到其低制造效率(打印速度)和產品質量(機械性能)不足的阻礙。光聚合物的超快速3D打印的最新進展緩解了制造效率的問題，但典型打印聚合物的機械性能仍然遠遠落后于傳統加工技術。

為此，近日，浙江大學化學工程與生物工程學院謝濤教授和吳晶軍副研究員團隊等人在Nature上發表了題為“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness”的文章，該項研究報告了一種3D光打印樹脂化學，產生的彈性體的抗拉強度為94.6 MPa，韌性為310.4 MJ m^?3，都遠遠超過任何3D打印彈性體。從機械上講，這是通過打印聚合物中的動態共價鍵實現的，允許網絡拓撲結構重新配置，有助于形成層次氫鍵（特別是酰胺氫鍵）、微相分離和互穿結構，從而協同促進卓越的機械性能。該項工作為使用3D打印的大規模制造提供了一個更光明的未來。

圖1 3D光打印彈性體的化學設計? 2024 Springer Nature

圖2彈性體的力學性能及其強化和增韌機制? 2024 Springer Nature

圖3彈性體的彈性和機械性能? 2024 Springer Nature

圖4 DLP印刷的強韌彈性體? 2024 Springer Nature

該項工作中3D打印超強和超堅韌材料的能力在極端惡劣的條件下擴展了其使用范圍，遠遠超出了文中展示的兩個例子。此外，該項工作中的印刷前驅體是用容易獲得的試劑以簡單的步驟合成的，這確保了它的低成本。盡管設計機械性能優越的聚合物還有其他既定的原則，但直接將它們應用于3D打印是具有挑戰性的，因為照片打印要求嚴格，包括在光照下快速凝膠化，以及在打印和存儲期間有足夠的容器壽命。盡管如此，它們為替代高性能3D打印材料的未來發展提供了有用的提示。總的來說，該項研究表明，3D打印不一定會損害機械性能，這為其未來的商業實施掃清了一個主要障礙。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07588-6