來自新罕布什爾州達特茅斯大學的研究人員開發了一種新的凝膠3D打印工藝，即利用熱量來控制墨水內分子環的排列，進而能夠通過墨水3D打印方法制造出具有不同機械強度的物體。
研究人員將這個過程稱為 "熱能誘導（Kinetic Trapping）"，這其中會使用到分子阻斷器（也稱減緩劑），以此來改變墨水中分子環的分布，從而創造出可3D打印的凝膠，這些凝膠可以折疊、滾動，亦或是在被水分激活時還可以保持其形狀。
據研究小組稱，他們的新方法在打印快速響應器件和軟體機器人方面具有不可比擬的優勢，這種新型打印過程的供能模式是可持續的，例如只需要感應濕度變化便可以做出響應，未來有希望應用到醫療設備或工業設施中。
達特茅斯大學化學系助理教授、該研究的高級研究員柯晨峰說："這種新方法利用熱量來生產和控制具有各種特性的3D油墨，它可以使復雜物體的3D打印變得更容易、更加低成本。"
△達特茅斯學院柯氏功能材料研究組開發的Kinetic Trapping工藝。圖片來自Chem.
熱能誘導是如何工作的？
這一新工藝由達特茅斯學院的柯氏功能材料小組開發，該研究團隊的主要研究方向為3D和4D打印應用開發智能材料。他們將熱能誘導描述為一個過程，利用熱量改變化學鏈上分子環的排列和數量。
在化學中，"環"指的是一個分子內的原子和鍵的循環。通過使用分子擋板或減速劑，研究人員能夠調節進入聚合物鏈中環的數量，并利用熱量控制其分布。當環被堆積起來時，它們儲存的熱能隨后可以被釋放，類似于壓縮的彈簧被松開。
在這個過程中使用到的分子減速器也制造出了3D打印所需的墨水，隨著時間的推移分子環的分布發生改變，并將材料從粉末變為可打印的凝膠。然后，水分的注入將被用來激活3D打印物體的不同形狀。
達特茅斯大學團隊使用的材料包括由環糊精和聚乙二醇組成的分子結構，這些物質經常被用作食品添加劑和糞便軟化劑。研究人員通過在聚乙二醇中添加減緩劑，使物質結構的能量維持在穩定狀態，進而可以通過響應濕度的變化使3D打印物體轉化為形狀也可以隨之改變的器件。
這項研究的第一作者林前明表示，這種方法能夠利用溫度來創造出復雜的形狀，并且濕度的改變就是啟動反應過程的鑰匙。
△柯晨峰（左）化學助理教授和林倩明（右）在柯氏功能材料組開發用于3D和4D打印應用的智能材料。照片來自Eli Burakian/Robert Gill。
“熱能誘導”概念驗證過程
據研究人員稱，大多數常見的3D打印油墨具有統一的分子成分，可提供具有單一屬性的打印對象，如硬度或彈性。因此，打印一個具有多種屬性的物體需要準備不同的墨水，并使它們一起工作，這既是一個耗時又耗力的過程。
為了解決這些缺點，研究人員開發了熱能誘導技術來生產3D打印物體，使其成為能夠對水分和改變形狀做出反應的執行器。
為了證明他們的研究，該團隊使用由熱能誘導制備的墨水3D打印了一朵花。由于分子環的可變排列，花的不同部分被發現具有不同程度的靈活性。隨后產生的混合特性使花的柔軟花瓣在接觸到水分時能夠閉合，而花的較堅硬部分則提供了支撐結構。
對此，研究團隊解釋說："這個物體的不同部分來自同一種打印油墨，它們有著相似的化學成分，但分子環的數量和分布不同。這些差異使產品具有截然不同的機械強度，并導致它們對水分的反應不同。"
展望未來，研究小組將繼續尋求完善熱能誘導的過程，以實現對多單元穩定狀態的精確控制。他們希望，這種方式成功打印出快速反應的執行器件和軟體機器人，并對濕度變化甚至其他可持續的供能模式做出反應。此外，研究小組認為由此制造的3D打印物體將來可應用到醫療設備或工業設施內。
來源：南極熊3D打印網
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