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福建物構(gòu)所官輪輝研究員團(tuán)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(chǎn)品、儲能設(shè)備、電子皮膚、柔性機(jī)器人等柔性設(shè)備作為人工智能時代人機(jī)交互和物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的媒介,受到了廣泛關(guān)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(jìn)的柔性器件需要兼容的柔性材料和加工技術(shù)。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(fù)雜拓?fù)湓O(shè)計成為可能,因此被廣泛應(yīng)用于柔性智能設(shè)備的制造。目前,通過3D打印對水凝膠材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計,制作定制化的功能器件已經(jīng)被廣泛報道。例如,模擬邁斯納小體的突觸結(jié)構(gòu),受章魚觸手啟發(fā)的吸盤結(jié)構(gòu),以及受蜘蛛腿啟發(fā)的纖維結(jié)構(gòu),都是基于數(shù)字光處理(DLP)或直接墨水書寫(DIW)打印策略開發(fā)出來的。然而,隨著對多模態(tài)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(jīng)成為阻礙柔性集成器件實際應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。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(shù)之間的互動和發(fā)展。因此,開發(fā)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(shè)計理念及內(nèi)在特性。


  近期,中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所官輪輝研究員團(tuán)隊開發(fā)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(shù)量級(10-2~104 Pa s-1)。整個制備過程只需調(diào)整pH值即可制備出不同微相分離程度的水凝膠墨水前驅(qū)體(圖1)。同時,TP-3DPgel具有優(yōu)異的低遲滯(>5.4%)和抗疲勞性能,可在大應(yīng)變下重復(fù)加載-卸載100次,而表現(xiàn)出可忽略的遲滯效應(yīng)(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(kuò)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(jié)構(gòu)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(chuàng)新設(shè)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(shè)備的功能化和個性化創(chuàng)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(fā)表在ACS Nano上。文章第一作者是中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士吳啟銳。該工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。福州大學(xué)機(jī)械學(xué)院楊曉翔教授對該研究提供了幫助和指導(dǎo)。


圖2 TP-3DPgel力學(xué)性能與微相分離區(qū)域的關(guān)系


圖3 TP-3DPgel在不同3D打印策略下的成型質(zhì)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(tuán)隊近年來在多功能復(fù)合材料的開發(fā)與3D打印相關(guān)研究中取得的進(jìn)展之一。團(tuán)隊基于復(fù)合材料的傳感與機(jī)械特性展開研究,并從多物理量響應(yīng)機(jī)理分析出發(fā)(Chem. Eng. J. 2023;454: 140328.),通過多尺度的彈性體的結(jié)構(gòu)化設(shè)計及規(guī);瘋鞲衅麝嚵械脑霾闹圃欤_發(fā)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(jìn)集成工藝實現(xiàn)了基于柔性功能元件與儲能器件的自供能傳感系統(tǒng)的開發(fā)(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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