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與需要復(fù)雜加工的類似材料不同，這種塑料可以用 3D 打印機(jī)制作。 圖片來(lái)源：Sameer A. Khan/Fotobuddy

在發(fā)表于Advanced Functional Materials的一項(xiàng)研究中，由艾米麗-戴維森（Emily Davidson）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組詳細(xì)介紹了他們?nèi)绾卫脽崴苄詮椥泽w--一類可廣泛使用的聚合物--來(lái)制造出具有可調(diào)節(jié)剛度的3D打印結(jié)構(gòu)。 通過(guò)設(shè)計(jì)三維打印機(jī)的打印路徑，工程師們可以對(duì)塑料的物理特性進(jìn)行編程，使設(shè)備在一個(gè)方向上伸展和彎曲，而在另一個(gè)方向上保持剛性。

化學(xué)與生物工程助理教授戴維森強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)技術(shù)在軟機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、假肢、輕質(zhì)頭盔和定制高性能鞋底等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

材料性能的關(guān)鍵在于其最微小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 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(zhì)中形成厚度為5-7納米（相比之下，人類頭發(fā)的厚度約為90000納米）的堅(jiān)硬圓柱結(jié)構(gòu)。 研究人員利用三維打印技術(shù)為這些納米級(jí)圓柱體定向，從而獲得了一種在一個(gè)方向上堅(jiān)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(shè)計(jì)人員可以將這些圓柱體定向到單個(gè)物體的不同方向，從而設(shè)計(jì)出在物體的不同區(qū)域表現(xiàn)出硬度和伸展性的軟結(jié)構(gòu)。

戴維森說(shuō)："我們使用的彈性體能形成我們能夠控制的納米結(jié)構(gòu)。 這使設(shè)計(jì)人員能夠在很大程度上控制成品。我們可以創(chuàng)造出在不同方向上具有定制特性的材料"。

開發(fā)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(jìn)行加熱和加工，但冷卻后會(huì)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(zhǎng)鏈。 傳統(tǒng)的均聚物是由一個(gè)重復(fù)分子組成的長(zhǎng)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(qū)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(chǎn)出了在具有伸縮性的基質(zhì)中含有堅(jiān)硬圓柱體的材料。

研究人員利用他們對(duì)這些嵌段共聚物納米結(jié)構(gòu)如何形成及其對(duì)流動(dòng)的反應(yīng)的了解，開發(fā)出了一種三維打印技術(shù)，能有效地促使這些堅(jiān)硬的納米結(jié)構(gòu)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(lái)控制打印材料的物理性質(zhì)。

文章的第一作者、普林斯頓大學(xué)研究生愛麗絲-費(fèi)格森（Alice Fergerson）介紹了這項(xiàng)技術(shù)，以及熱退火--對(duì)材料進(jìn)行有控制的加熱和冷卻--所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

通過(guò)控制材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工程師可以制造出具有各種特性的物體。 圖片來(lái)源：Sameer A. Khan/Fotobuddy

"我認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)最酷的部分之一就是熱退火所發(fā)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(lái)的東西多次重復(fù)使用，甚至在物品損壞或破損時(shí)還能自我修復(fù)。"

戴維森說(shuō)，該項(xiàng)目的目標(biāo)之一是創(chuàng)造出具有局部可調(diào)機(jī)械特性的軟材料，使工業(yè)界既能負(fù)擔(dān)得起，又能擴(kuò)大規(guī)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(jié)構(gòu)。 但戴維森說(shuō)，這些材料既昂貴（每克高達(dá) 2.50 美元以上），又需要經(jīng)過(guò)多道工序加工，包括仔細(xì)控制擠壓，然后暴露在紫外線下。 戴維森實(shí)驗(yàn)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(jī)打印。

研究人員展示了他們的技術(shù)在熱塑性彈性體中加入功能添加劑的能力，而不會(huì)降低控制材料特性的能力。 在一個(gè)例子中，他們加入了一種由 Lynn Loo 教授研究小組開發(fā)的有機(jī)分子，這種分子能使塑料在紫外線照射下發(fā)出紅光。 他們還展示了打印機(jī)生產(chǎn)復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)的能力，包括一個(gè)小塑料花瓶和用急轉(zhuǎn)彎拼出 PRINCETON 的印刷文字。

退火在他們的工藝中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它提高了內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)秩序的完美性。 戴維森說(shuō)，退火還能實(shí)現(xiàn)材料的自愈特性。 作為這項(xiàng)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(guò)退火將材料重新連接起來(lái)。 修復(fù)后的材料顯示出與原始樣本相同的特性。 研究人員說(shuō)，他們觀察到原始材料和修復(fù)材料之間"沒(méi)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(gòu)，這些架構(gòu)將與可穿戴電子設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等應(yīng)用兼容。

編譯自/scitechdaily