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利用光照让3D打印产品实现再次生长

文章来源:网络人气:781发表时间:2017-01-19 10:42:16

  3D打印技术是将聚合物按照精确设定的模型,一层一层沉积来实现快速制造物体的。一旦打印结束,这些聚合物即宣布“死亡”——也就是说,它们不能被再次延伸以形成新的聚合物链。

  最近,来自麻省理工学院的化学家们开发出了一种技术,允许人们对已打印好的材料二次加工,为其接上新的聚合物,从而改变材料的化学组成和机械性能。研究人员还可以将两个或更多打印材料融合在一起,形成更复杂的结构。

  麻省理工学院化学系的副教授耶利米?约翰逊(jeremiahjohnson)说:“这一概念就是,你可以先打印一种材料,然后利用光照使其变形成其他东西,或是让其继续生长。”

  作为资深作者约翰逊在1月13日出版的《美国化学学会核心科学》上发表了一篇论文,称这项技术可以极大地扩展3d打印材料的复杂性。该论文的主要作者是前麻省理工学院博士后陈茂(音译,maochen)和研究生顾玉伟(音译,yuweigu)。

  活性聚合技术

  3d打印(也称为增材制造)的最常用技术之一是立体光刻。立体光刻装置利用光照射单体的液体溶液、塑料及其他材质的构件,从而形成固态聚合物层,直至生成最终的形状。

  几年前,约翰逊和他的同事已开始着手利用被称为“活性聚合”的技术来制造可修改的3d打印结构体,这一技术允许打印材料随意停止生长,过后再重新开始。

  2013年,研究人员证实他们可以使用一种由紫外光激发的聚合反应,为3d打印材料增加新的功能。即材料打印好后,用紫外光进行照射,使某些点上的聚合物链发生断裂,产生称为自由基的非常活泼的分子。自由基如同一种分子粘合剂,溶液里的单体在这种活泼粒子的作用下又结合到原来已打印好的材料上。

  “这项技术的优点是——当你打开灯,聚合物分子链就增长,关掉灯,它们就停止”,约翰逊说,“原则上,你可以无限重复以上过程,这样打印材料就会连续不断地生长”。

  然而,这种方法被证明对材料的破坏性太大,且过程难以控制,因为自由基的反应活性实在太强。

  新功能

  经过不懈努力,研究人员又设计出新的聚合物,虽然同样是用光照来活化,但作用方式稍有不同。

  每一个聚合物包含有像手风琴一样折叠起来的化学基团,这些化学基团(TTCs)可以被有机催化剂活化,而有机催化剂只有在光照下才发挥作用。当催化剂被发光二极管发出的蓝光照射后,它们将新的单体附着到TTCs上,使其伸展开来。由于这些单体均匀地结合在整个结构中,所以它们赋予材料新的性能。

  “这就是本论文的创新点——我们真的拥有了一种真正可行的方法,可以按我们想要的方式制造宏观材料并能控制它的生长”,约翰逊说。

  研究人员在《美国化学学会核心科学》上刊发的论文中表示,他们能用结合单体的方法改变材料的机械性能(例如刚度)及其化学性质,包括疏水/亲水性。甚至可以通过加入某种类型的单体使材料实现随温度变化而伸缩或膨胀。

  研究人员还使用这种方法成功将两个构件融合在一起,通过在它们彼此接触的区域进行光照。

  新南威尔士大学化学工程专业的副教授西里尔?波伊尔(CyrilleBoyer),虽没有参与这项研究,但他这样描述这一研究成果:这是非常振奋人心的一篇论文,利用可见光和光致氧化还原催化剂来制造可生长、可复制的“活性”凝胶。通过融合高分子科学和材料科学这两大领域,约翰逊和他的同事们设计出全新的热敏性凝胶,并克服了目前凝胶制备中存在的局限性。

  目前该技术尚存的一个缺陷是,有机催化剂需要无氧环境。据报道,研究人员现在正在测试一些其他类型的催化剂,可以催化类似的聚合反应,且能在氧气存在下使用。

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