連續3D打印技術已成為構造3D結構的最有前途的方法之一。但大多數基于UV固化的3D打印方法，與熔融沉積3D打印（FDM）或基于3D擠出的方法相比，其料利用率較低，難以實現按需打印。并且，在連續3D打印過程中，液體樹脂不可避免地附著在固化結構的表面，其附著量會隨著打印速度和粘度的增加而增加；同時，由于連續打印固化過程中光源非圖案區殘光的影響，會導致額外的固化或打印不穩定性，從而降低3D打印的分辨率。
為實現按需打印并同時提高打印過程的穩定性，宋延林研究員團隊提出了單墨滴3D打印的策略（視頻1），可以實現以單個墨滴為基本單元的可控制造精細3D結構。他們在3D打印體系中引入可退浸潤的三相接觸線（TCL），大幅降低了液體樹脂在固化結構表面的殘留，同時增加了3D打印體系中固液界面（包括液體樹脂與固化界面、液體樹脂與空氣之間的界面）的自由度及液滴的內部樹脂循環，防止高速打印過程中樹脂額外固化導致的打印結構凸起或臺階結構，從而顯著提高了3D打印的精度。
視頻1 單墨滴3D打印實時過程
實現單墨滴3D打印的關鍵是三相接觸線的可控回縮，這涉及到液體樹脂與固化界面的粘附、固體樹脂與固化界面的粘附及液體樹脂與固體樹脂之間的粘附。對于固體樹脂與固化界面之間的粘附，該團隊在之前的研究工作中提出了利用仿生超潤滑固化界面來減少固化樹脂與固化界面之間的粘附 (Research, 2018, 2018, 479560, Nature Communications, 2020, 11, 521)。除了仿生超潤滑表面，平滑的疏水表面和具有微納復合結構的超雙疏表面也具有低粘附特性。他們基于上述表面進行了單墨滴3D打印研究。
如圖1a-c所示，在平滑的疏水石英表面上，盡管三相線可以發生回縮，但由于固化樹脂與固化界面之間的粘附力大，單墨滴3D打印不能實現；在超雙疏結構表面（圖1d-f），可以發生連續固化實現打印。但是由于超雙疏源于固定于微納復合結構與液體樹脂之間的空氣層，因此連續打印的過程不夠穩定，并且打印的結構側壁有豎條紋結構；而在仿生潤滑表面可以實現連續、穩定的固化，并將單個墨滴完全轉化為設計的3D結構（圖1g-i）。他們將三種固化表面與液體樹脂（γ1）、固態樹脂的粘附（γ2）及液體樹脂和固態樹脂之間的粘附（γ3）規律進行了總結，發現只有同時滿足γ1>γ3，γ3>γ2才能實現單墨滴3D打印（圖1j-k）。這為單墨滴3D打印的通用性奠定了基礎。
圖1 光固化界面性質對單墨滴3D打印的影響。 (a-c)，平滑疏水表面的打印過程，打印結構形貌及機理分析。(d-f), 含有微納復合結構的超雙疏表面的打印過程，打印結構形貌及機理分析。(g-i)，仿生超潤滑表面的打印過程，打印結構形貌及機理分析。(j)，單墨滴3D打印過程中涉及的三個界面。(k)，單墨滴3D打印的規律。
該工作以“Continuous 3D printing from one single droplet”為題發表在Nature Communications（Nature Communications 2020, 11, 4685）上。論文的第一作者為中科院化學所博士生張虞，通訊作者為宋延林研究員，共同通訊作者為中科院化學所吳磊副研究員。該項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、北京分子科學國家研究中心的支持。
論文連接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18518-1
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14366-1
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2018/4795604/
