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福建物構所官輪輝研究員團隊 ACS Nano:基于可控微相分離策略的多功能固-液兩相3D打印水凝膠(TP-3DPgel)墨水
2024-11-02  來源:高分子科技

  可穿戴電子產品、儲能設備、電子皮膚、柔性機器人等柔性設備作為人工智能時代人機交互和物聯網不可或缺的媒介,受到了廣泛關注。其中,水凝膠由于其固有的柔韌性和可加工性,是制造柔性器件的理想候選者。顯然,制造先進的柔性器件需要兼容的柔性材料和加工技術。由于3D打印(又稱增材制造)的無限尺寸和靈活性,使材料的復雜拓撲設計成為可能,因此被廣泛應用于柔性智能設備的制造。目前,通過3D打印對水凝膠材料進行結構化設計,制作定制化的功能器件已經被廣泛報道。例如,模擬邁斯納小體的突觸結構,受章魚觸手啟發的吸盤結構,以及受蜘蛛腿啟發的纖維結構,都是基于數字光處理(DLP)或直接墨水書寫(DIW)打印策略開發出來的。然而,隨著對多模態柔性器件的需求不斷增加,與單一打印策略兼容的水凝膠被證明不足以制造集成器件。這一限制已經成為阻礙柔性集成器件實際應用的重大挑戰。目前,還沒有報道過適合兩種印刷方法的油墨。這種油墨需求的差異就像“語言障礙”,限制了兩種3D打印技術之間的互動和發展。因此,開發一種兼容兩種3D打印方法的策略勢在必行。


圖1.可控微相分離TP-3DPgel的設計理念及內在特性。


  近期,中國科學院福建物質結構研究所官輪輝研究員團隊開發了一種基于可控微相分離策略的多功能兩相3D打印水凝膠(TP-3DPgel)墨水,該墨水既適用于液相DLP-3D打印,也適用于固相DIW-3D打印。水凝膠油墨的粘度范圍超過6個數量級(10-2~104 Pa s-1)。整個制備過程只需調整pH值即可制備出不同微相分離程度的水凝膠墨水前驅體(圖1)。同時,TP-3DPgel具有優異的低遲滯(>5.4%)和抗疲勞性能,可在大應變下重復加載-卸載100次,而表現出可忽略的遲滯效應(圖2)。此外,TP-3DPgel具有高精度的多尺度3D打印特性,分辨率范圍從50 μm擴展到510 μm,并且成功的通過DLP和DIW-3D打印制造出2D纖維和3D結構器件(圖3)。有趣的是,他們利用TP-3DPgel卓越的兼容性和可加工性,分別使用DIW和DLP-3D打印制造了各種功能柔性器件,包括儲能、傳感器和電子皮膚(圖4和圖5)。從更廣泛的角度來看,他們的創新設計不僅為通過3D打印制造柔性功能器件提供了可靠的策略,而且為柔性設備的功能化和個性化創造提供了有趣的途徑。該工作以“Versatile Hydrogel Based on a Controlled Microphase-Separation Strategy for Both Liquid- and Solid-Phase 3D Printing”為題發表在ACS Nano上。文章第一作者是中國科學院福建物質結構研究所福州大學機械學院聯合培養博士吳啟銳。該工作得到國家自然科學基金的資助。福州大學機械學院楊曉翔教授對該研究提供了幫助和指導。


圖2 TP-3DPgel力學性能與微相分離區域的關系


圖3 TP-3DPgel在不同3D打印策略下的成型質量。


圖4 TP-3DPgel柔性器件DIW-3D打印。


圖5 TP-3DPgel壓容式電子皮膚的DLP-3D打印。


  該工作是官輪輝研究員團隊近年來在多功能復合材料的開發與3D打印相關研究中取得的進展之一。團隊基于復合材料的傳感與機械特性展開研究,并從多物理量響應機理分析出發(Chem. Eng. J. 2023;454: 140328.),通過多尺度的彈性體的結構化設計及規模化傳感器陣列的增材制造,開發了一系列柔性功能元件(Mater. Horiz., 2023, 10, 3610-3621;Adv. Mater. Technol. 2023, 2301123.),利用先進集成工藝實現了基于柔性功能元件與儲能器件的自供能傳感系統的開發(ACS Sens., 2024, 9, 4, 2091–2100.;Chem. Eng. J., 2023, 471:144551.;Adv. Funct. Mater., 2022, 2205708.)。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.4c08896

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(責任編輯:xu)
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