3D打印科研突破：2024上半年Nature与Science的文章

南极熊导读：随着3D打印技术的不断发展，它已经从一项新兴技术迅速演变为多领域应用的关键工具。2024年，《Nature》和《Science》这两份顶级科学期刊上发表了一系列关于3D打印的突破性研究，这些研究不仅展示了3D打印技术的最新进展，还预示着其在未来制造业中的巨大潜力。


3D打印可制造多色发光结构

2024年1月16日，来自加州大学伯克利分校材料科学与工程系、劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部等的研究成员在光致发光领域取得突破，并借助3D打印技术制备了光致发光结构。他们的研究结构已经发表在了Science上，研究题目为Supramolecular assembly of blue and green halide perovskites with near-unity photoluminescence（具有近乎一致光致发光的蓝色和绿色卤化物钙钛矿的超分子组装）。



从题目中不难发现，这篇文章主要关注的是卤化物钙钛矿材料的合成及其在高效发光二极管（LED）中的应用，但其中3D打印技术起到了关键作用：

●研究人员利用3D打印技术精确控制卤化物钙钛矿材料的结构和形态。通过3D打印技术，实现了卤化物钙钛矿薄膜的高度均匀分布，这对于提高LED的性能至关重要。

●通过优化3D打印工艺，研究人员成功地制备了具有接近100%光致发光量子产率的蓝色和绿色卤化物钙钛矿材料，高效的光致发光特性表明这些材料非常适合用于制造高效率的LED。

●利用3D打印技术制备的卤化物钙钛矿LED展示了出色的亮度、稳定性和色纯度。与传统制造方法相比，3D打印技术使得制备的LED具有更高的均匀性和一致性，从而提高了整体性能。


△实现蓝绿双色3D打印。 (A) 多材料 3D 打印过程示意图。 （B 和 C）白光 (B) 和 254 nm 紫外线 激发下的两座 3D 打印发光埃菲尔铁塔。 (D) 254 nm 紫外线激发下的双色发光埃菲尔铁塔。 (E 到 H) 具有不同层次结构和几何形状的共形和扭曲八位体桁架，包括立方八面体、十四面体和门格尔海绵结构，分别具有蓝色和绿色发射器或其组合。这些打印结构在 254 nm 处进行光激发。

这项研究为利用3D打印技术大规模生产高质量卤化物钙钛矿LED提供了可能性。3D打印技术不仅有助于提高LEDs的效率，还可能降低生产成本并简化制造过程。这种技术的进步对于推动未来显示技术和照明领域的发展具有重要意义。

原文链接：DOI: 10.1126/science.adi4196

”一箭双雕“：实现超均匀、高强塑性的3D打印钛合金

2024年2月，重庆大学材料科学与工程学院与澳大利亚昆士兰大学、丹麦技术大学的联合科研团队在Science发表了题为Ultra-uniform, strong, and ductile 3D printed titanium alloy through bifunctional alloy design文章，提出一种“一箭双雕”的合金设计策略，为探索多种金属粉末原料、可变的打印合金体系、不同的3D打印技术以及先进的多材料打印开辟了一条途径。



研究人员表示，金属3D打印过程中通常涉及多重物理和冶金现象，从而赋予打印构件复杂的微观组织结构和多样的力学性能。但是在3D打印过程中，金属经常会形成粗大的柱状晶粒和不均匀分布的相，这样的组织结构不仅导致打印构件的力学性能不均匀，同时也会降低构件的力学性能。因此，研究者们最初设想是寻求一种“一箭双雕”的合金设计策略，从而直接通过3D打印获得性能优越和均匀的钛合金。


△Mo纳米颗粒的添加显著提高了3D打印Ti-5553合金的力学性能及其均匀性


研究人员采用了双功能合金设计策略，即通过合金元素的选择和比例调整，以达到既增加合金强度又保持良好延展性的目的。双功能合金设计使得3D打印的钛合金具有超均匀的微观结构，这意味着材料内部没有明显的局部差异，这有助于提高材料的整体性能。总而言之，研究团队通过优化3D打印工艺和合金成分，成功制备了具有超均匀微观结构的3D打印钛合金，减少了材料内部的缺陷，如裂纹、孔隙和其他不连续性，从而显著提升了材料的机械性能，其屈服强度达926MPa，断裂伸长率为26%，实现了强度与塑性的优良匹配。


原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141

光固化3D打印“心脏创可贴”问世，可修复受损心脏

2024年8月3日，来自科罗拉多大学博尔德分校 (CU Boulder) 和宾夕法尼亚大学的研究小组率先开发出一种 3D 打印水凝胶材料工艺，这种材料既有弹性，又有粘性，而且有回弹性，可用于打印内部绷带以修复受损的心脏组织、软骨补片或无针缝合线。研究以Additive manufacturing of highlyentangled polymer networks为题，发表在Science顶级期刊上。



这种弹性创可贴状材料的制作得益于研究团队开发的一种特殊 3D 打印工艺，此工艺称为 CLEAR（通过氧化还原引发辅助的光照后连续固化），本质上可以控制打印过程中材料分子的交联。这是通过结合使用“明暗聚合”来实现的。研究人员表示，这种新颖的3D打印方法在室温下即可实现高单体转化率，无需额外的刺激，例如打印后的光线或热量，并且能够通过增材制造生产高度纠缠的水凝胶和弹性体，与传统的 DLP 相比，其延伸能量高出四到七倍。



△ CLEAR技术打印的多种弹性形状


研究人员已为这项技术申请了临时专利，它不仅成功打印出比标准 DLP 机器打印的部件更柔韧、更坚韧的材料，而且还具有粘性，可以粘在组织上。Burdick 实验室的研究员 Matt Davidson 表示可以 3D 打印出强度足以支撑组织的粘合材料。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925

3D打印抗疲劳钛合金取得突破性进展

2024年2月，中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂团队带头人张哲峰研究员在前期疲劳损伤机制和疲劳预测理论指导下，与轻质高强材料研究部杨锐研究员团队开展合作，提出了一种通过单独调控其微观结构和缺陷来制造抗疲劳3D打印钛合金的创新策略，称为净增材制造制备（NAMP），研究成果于2024年2月29日以题为High fatigue resistance in a titaniumalloy via near void-free 3D printing发表在Nature正刊上。




研究人员表示，理想状态下3D打印技术直接制备出的钛合金组织（称为Net-AM组织）应具有天然优异的疲劳性能，而打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织抗疲劳的优点，导致实际测量的3D打印材料疲劳性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲劳性能的关键在于消除打印气孔的同时，需要尽可能保留原始打印的组织状态。然而，目前消除气孔的工艺往往伴随组织粗化，而细化组织的处理又会带来气孔复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素，可谓进退两难。


△打印态、NAMP态以及其他两种典型状态3D打印钛合金组织和缺陷特征：（a）打印态；（b）热等静压（HIP）态；（c）Near-net-AM态；（d）Net-AM态。

幸运的是，研究人员在Ti-6Al-4V合金中首次发现，高温下3D打印态组织的晶界迁移及气孔长大与相转变过程表现出异步的特性，即存在一个热处理工艺窗口，既可实现板条组织细化，又能有效抑制晶界α相富集及气孔复现。为此，研究人员巧妙地利用了这一工艺窗口，发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺（Net-Additive Manufacturing Process），最终制备出几乎无气孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。NAMP工艺步骤主要包括用于消除微孔的热等静压 (HIP) 以及随后用于恢复增材制造微观结构的高温短时 (HTSt) 热处理具有细小的马氏体板条，可以成功地使钛合金恢复几乎无空隙的Net-AM显微组织。



原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1

微纳3D打印可注射超声传感器，用于颅内生理信号监测

2024年6月，华中科技大学臧剑锋教授、姜晓兵教授以及新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队携手合作，研发出一种创新型可注射超声凝胶传感器，有望克服传统有线传感器存在的感染风险和术后并发症等问题，同时避免现有无线电子传感器体积过大、无法体内降解等临床应用挑战。相关研究成果以Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals为题在线发表于Nature期刊。



研究团队设计并制造了一种新型传感器结构，名为"超声超凝胶"，是由双网络交联的水凝胶基质和内部周期性排列的空气孔道组成，体积仅为2×2×2mm3。这种可注射传感器是研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻(PμSL)3D打印技术(nanoArch® S140，精度：10 μm)加工模具后，经水凝胶翻模制备而成。经过计算机模拟结构优化，该特殊结构在8-10MHz频段具有声学带隙，对入射超声波有很强的反射能力。凝胶材料均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入体约1个月后可自然降解，无需再次开颅取出。


△可注射、可降解的超凝胶超声传感器设计原理--基于超声反射的超凝胶无线颅内生理传感器示意图。


原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

总结
2024年以来，《Nature》和《Science》上发表了多篇关于3D打印的突破性研究成果，充分展示了3D打印的快速发展和广阔前景。这些研究不仅拓宽了人们对3D打印技术的理解，还提供了新的工具和技术，以解决当前和未来的挑战。随着3D打印技术的不断成熟和完善，相信它将在更多行业中发挥关键作用，从航空航天到生物医学，从材料科学到环境保护，为人类社会带来更多的积极变化。