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  軟硅膠具有優異的柔韌性、回彈性、生物相容性、化學及熱穩定性，在軟體機器人、柔性電子、仿生器件及可植入醫用設備等領域應用廣泛。然而，其固有的粘彈性和低模量使得對軟硅膠材料的高精度3D打印難以實現。考慮到光敏基團潛在的生物危害性和對軟硅膠復合材料增材制造的迫切性，探索軟硅膠材料的新型3D打印技術意義重大。

  近期卡爾斯魯厄理工學院王義亮和Norbert Willenbacher教授提出了一種高分辨率軟硅膠微結構的快速墨水直寫3D打印技術（HOT-DIW）。通過在液體硅膠中構建二氧化硅納米顆粒和石蠟微米顆粒雙網絡結構，提高了打印墨水的模量和屈服強度，同時賦予了其良好的溫度敏感性。當墨水通過高溫打印頭時，內部石蠟發生固-液相變導致顆粒網絡結構遭到破壞，降低了粘度、模量及屈服強度，使得墨水更易流動和擠出。打印完成后，在較低的室溫環境中，石蠟發生液-固相變使得內部顆粒網絡結構重新形成，墨水的流變性能得到恢復，確保了高分辨率打印結構的穩定。

圖1 高分辨率軟硅膠結構的快速墨水直寫3D打印

  通過控制自研HOT-DIW直寫打印系統的壓力（P）、打印速度（V_s）及打印頭溫度（T）即可實現對墨水擠出的精確定位和痕量控制。在特定條件下（45 °C, 80 bar, 100 μm針頭）,該系統最高可實現3100 mm min^-1的高速打印。此外，該技術獲得的打印絲直徑最低僅為50 um，是目前軟硅膠材料直寫3D打印分辨率的最高記錄。

圖2 高分辨率3D打印軟硅膠結構及其表面功能化

  HOT-DIW策略獲得的軟硅膠結構非常容易實現表面功能化，同時硅膠內部石蠟可以通過簡單的溶劑處理去除。該技術可用于構建微型柔性電子器件，例如，經碳納米管表面功能化的3D打印網格可作為柔性壓力傳感器的傳感層。得益于多層網格結構的高分辨率，超薄傳感器具有很高的靈敏度（57.5 kPa^-1）和很寬的檢測范圍（30 Pa-500 KPa）。

圖3 高分辨率3D打印軟硅膠結構用于構筑高性能柔性壓力傳感器

  此外，軟硅膠三維結構的高分辨率也可以提升超疏水表面和仿生器件的性能，比如，經碳納米管沉積的3D打印網格結構可作透氣超疏水器件，實現了水滴的快速收集和運輸；得益于高精度的3D打印溝道結構和所含的石蠟及碳納米管，仿生水稻葉片具有非常優異的超疏水性能、定向水運輸能力及形狀記憶性能。

  總而言之，他們提出的軟硅膠材料打印策略在智能仿生器件、軟體機器人和柔性電子等領域潛力巨大。

圖4 高分辨率3D打印軟硅膠結構在仿生及超疏水領域的應用

  研究成果近期以“Phase-change enabled, rapid, high-resolution direct ink writing of soft silicone”為標題發表在學術期刊Advanced Materials上。文章第一作者兼通訊作者為卡爾斯魯厄理工學院博士后王義亮，共同通訊作者為Norbert Willenbacher教授。該研究得到卡爾斯魯厄理工學院、清華大學、德國亥姆霍茲學會和中國博士后管委辦公室的資助與支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109240