浙江大学3D打印最新Nature!

柔性和弹性的结合使得弹性体在包括汽车、建筑和消费品在内的广泛行业中都是必不可少的。此外，它们在诸如微流体、软机器人、可穿戴电子产品和医疗设备等新兴领域具有越来越大的吸引力。具有足够的机械强度是对于任何应用的先决条件。因此，解决软与强之间看似矛盾的属性一直是一个永恒的追求。天然蜘蛛丝具有非凡的强度，为设计合成柔软材料提供了源源不断的灵感。尽管其独特的超结构难以复制，但设计分层结构的更广泛原则为设计机械强度高的弹性体提供了有用的提示。然而，上述设计原理不能直接用于基于光固化的数字光处理(DLP) 3D打印。DLP印刷需要快速光固化来实现必要的快速凝胶。因此，光树脂通常含有相当数量的多功能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，这严重限制了分子设计的自由度。此外，快速固化会导致不均匀的网络形成和残余应力，这也不利于力学性能。3D打印大规模生产的潜力受到其低制造效率(打印速度)和产品质量(机械性能)不足的阻碍。光聚合物的超快速3D打印的最新进展缓解了制造效率的问题，但典型打印聚合物的机械性能仍然远远落后于传统加工技术。

为此，近日，浙江大学化学工程与生物工程学院谢涛教授和吴晶军副研究员团队等人在Nature上发表了题为“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness”的文章，该项研究报告了一种3D光打印树脂化学，产生的弹性体的抗拉强度为94.6 MPa，韧性为310.4 MJ m⁻³，都远远超过任何3D打印弹性体。从机械上讲，这是通过打印聚合物中的动态共价键实现的，允许网络拓扑结构重新配置，有助于形成层次氢键（特别是酰胺氢键）、微相分离和互穿结构，从而协同促进卓越的机械性能。该项工作为使用3D打印的大规模制造提供了一个更光明的未来。

图1 3D光打印弹性体的化学设计© 2024 Springer Nature

图2弹性体的力学性能及其强化和增韧机制© 2024 Springer Nature

图3弹性体的弹性和机械性能© 2024 Springer Nature

图4 DLP印刷的强韧弹性体© 2024 Springer Nature

该项工作中3D打印超强和超坚韧材料的能力在极端恶劣的条件下扩展了其使用范围，远远超出了文中展示的两个例子。此外，该项工作中的印刷前驱体是用容易获得的试剂以简单的步骤合成的，这确保了它的低成本。尽管设计机械性能优越的聚合物还有其他既定的原则，但直接将它们应用于3D打印是具有挑战性的，因为照片打印要求严格，包括在光照下快速凝胶化，以及在打印和存储期间有足够的容器寿命。尽管如此，它们为替代高性能3D打印材料的未来发展提供了有用的提示。总的来说，该项研究表明，3D打印不一定会损害机械性能，这为其未来的商业实施扫清了一个主要障碍。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07588-6