4D打印新模式？热能诱导工艺将为3D打印提供“百变油墨”

导读：南极熊获悉，来自新罕布什尔州达特茅斯大学的研究人员开发了一种新的凝胶3D打印工艺，即利用热量来控制墨水内分子环的排列，进而能够通过墨水3D打印方法制造出具有不同机械强度的物体。

研究人员将这个过程称为 "热能诱导（Kinetic Trapping）"，这其中会使用到分子阻断器（也称减缓剂），以此来改变墨水中分子环的分布，从而创造出可3D打印的凝胶，这些凝胶可以折叠、滚动，亦或是在被水分激活时还可以保持其形状。

据研究小组称，他们的新方法在打印快速响应器件和软体机器人方面具有不可比拟的优势，这种新型打印过程的供能模式是可持续的，例如只需要感应湿度变化便可以做出响应，未来有希望应用到医疗设备或工业设施中。

达特茅斯大学化学系助理教授、该研究的高级研究员柯晨峰说："这种新方法利用热量来生产和控制具有各种特性的3D油墨，它可以使复杂物体的3D打印变得更容易、更加低成本。"

△达特茅斯学院柯氏功能材料研究组开发的Kinetic Trapping工艺。图片来自Chem.

热能诱导是如何工作的？

这一新工艺由达特茅斯学院的柯氏功能材料小组开发，该研究团队的主要研究方向为3D和4D打印应用开发智能材料。他们将热能诱导描述为一个过程，利用热量改变化学链上分子环的排列和数量。

在化学中，"环"指的是一个分子内的原子和键的循环。通过使用分子挡板或减速剂，研究人员能够调节进入聚合物链中环的数量，并利用热量控制其分布。当环被堆积起来时，它们储存的热能随后可以被释放，类似于压缩的弹簧被松开。

在这个过程中使用到的分子减速器也制造出了3D打印所需的墨水，随着时间的推移分子环的分布发生改变，并将材料从粉末变为可打印的凝胶。然后，水分的注入将被用来激活3D打印物体的不同形状。

达特茅斯大学团队使用的材料包括由环糊精和聚乙二醇组成的分子结构，这些物质经常被用作食品添加剂和粪便软化剂。研究人员通过在聚乙二醇中添加减缓剂，使物质结构的能量维持在稳定状态，进而可以通过响应湿度的变化使3D打印物体转化为形状也可以随之改变的器件。

这项研究的第一作者林前明表示，这种方法能够利用温度来创造出复杂的形状，并且湿度的改变就是启动反应过程的钥匙。

△柯晨峰（左）化学助理教授和林倩明（右）在柯氏功能材料组开发用于3D和4D打印应用的智能材料。照片来自Eli Burakian/Robert Gill。

“热能诱导”概念验证过程

据研究人员称，大多数常见的3D打印油墨具有统一的分子成分，可提供具有单一属性的打印对象，如硬度或弹性。因此，打印一个具有多种属性的物体需要准备不同的墨水，并使它们一起工作，这既是一个耗时又耗力的过程。

为了解决这些缺点，研究人员开发了热能诱导技术来生产3D打印物体，使其成为能够对水分和改变形状做出反应的执行器。

为了证明他们的研究，该团队使用由热能诱导制备的墨水3D打印了一朵花。由于分子环的可变排列，花的不同部分被发现具有不同程度的灵活性。随后产生的混合特性使花的柔软花瓣在接触到水分时能够闭合，而花的较坚硬部分则提供了支撑结构。

对此，研究团队解释说："这个物体的不同部分来自同一种打印油墨，它们有着相似的化学成分，但分子环的数量和分布不同。这些差异使产品具有截然不同的机械强度，并导致它们对水分的反应不同。"

展望未来，研究小组将继续寻求完善热能诱导的过程，以实现对多单元稳定状态的精确控制。他们希望，这种方式成功打印出快速反应的执行器件和软体机器人，并对湿度变化甚至其他可持续的供能模式做出反应。此外，研究小组认为由此制造的3D打印物体将来可应用到医疗设备或工业设施内。

关于这项研究的更多信息可以在《Chem journal》杂志上发表的题为 "Kinetic trapping of 3D printable cyclodextrin-basedpoly(pseudo)roxtaxane networks"的论文中找到。这项研究的共同作者是：Q.Lin, L. Li, M. Tang, L. Zou, K. Ito, C. Ke, S. Uenuma, J. Samanta, S. Li, X.Jiang。

相关论文链接：https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(21)00308-9?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2451929421003089%3Fshowall%3Dtrue

3D和4D打印执行材料的进展

增材制造的软体机器人和执行器领域是一个经过了充分研究的领域，并不断有新的研究成果出现。响应外部刺激（如时间或温度）后材料产生变形的方法通常被称为4D打印，并在最近几年获得了越来越多的关注。

南极熊认为，除了采用热量、湿度作为诱导源之外，光线波长以及光照强度同样可以作为这种诱导模式的一部分。就在前不久，我国南方科技大学的研究团队也曾发表过类似的研究，采用光固化4D打印出超高力学性能形状记忆高分子材料。这种新材料在橡胶态断裂应变超过1240%，在150%-250%的应变区间甚至可以重复加载超10000次。

瑞典林雪平大学的一个研究小组开发了一套用于软性微型机器人的微执行器。这些执行器含有一种电活性聚合物，在有电荷的情况下改变形状，赋予它们4D能力。

在其他地方，日本山形大学的科学家们开发了一种完全3D打印的致动器，可以构成海洋野生动物监测应用的水母状软体机器人的基础。而加州大学圣地亚哥分校的研究人员则发现了一种3D打印液晶弹性体的新方法，通过在打印过程中和打印后改变热打印参数来实现功能分级的特性。由此产生的执行材料有可能应用于软体机器人和人工肌肉。

同时，来自德克萨斯州莱斯大学的研究人员一直在研究一种新的方法，使4D打印中的变形材料得到更多的控制，这使得3D打印物体在暴露于温度、电流或应力的变化时能够呈现出不同的形式。