在5篇Science之中,挤出一篇Nature Materials封面
Glenn 纳米人 2020-02-13
2019年,是3D打印的大年。回顾这365天,我们可以看到许多关于3D打印的激动人心的消息,这其中,就包括在Science发表的5篇研究工作:


1)Science:一步3D成型,无需逐层打印
 
https://science.sciencemag.org/content/363/6431/1075

2)Science:3D打印人造器官
 
https://science.sciencemag.xilesou.top/content/364/6439/458.abstract

3)Science:3D打印人造心脏
 https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482
 
4)Science:超快速3D打印亚微米结构
https://science.sciencemag.org/content/366/6461/105
 
5)Science:超快速3D打印大体积物体
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360
 
这些重大成果,要么是研究3D打印在生物医学方面的应用,要么是提高打印速度。其实,还有一些关键问题并未得到解决,那就是打印材料的限制。

在这5篇Science之后,3D打印再传捷报:3D打印征服玻璃,这个有着5000多年历史的传统行业,即将和21世纪最前沿的技术之一,碰撞出火花。这项成果发表于Nature Materials,并被选为封面文章。Nature Materials官网对此进行了专门述评,Nature官网对此进行了Highlight。

 
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3D打印技术
3D打印技术,也称为增材制造技术,即以CAD创建数字模型,然后在二维尺度上分层解析,通过3D打印机将材料逐层堆叠,最终形成三维产品。区别于传统基于道具、夹具和机床的制造工艺,3D打印的优势在于:
(1)降低复杂机件的制造成本;
(2)精确的实体复制;
(3)无需组装。
 
3D打印玻璃的挑战
作为21世纪最重要的材料之一,玻璃在我们的日常生活中无处不在,从人手一部的智能手机到为数十亿家庭提供互联网接入的光纤组件,没有玻璃的生活无法想象。尽管3D打印技术具有众多长处,可供3D打印使用的材料的选择却仍然有限,目前的3D打印主要适用于塑料制品和少量金属制品,玻璃材料基本难以实现3D打印。
 
3D打印很难制造玻璃制品主要归因于玻璃的一些最突出的特性,特别是它的高化学和热稳定性,使得广泛使用的三维打印技术途径难以进行结构构造和打印,如熔丝制造、选择性激光熔化、选择性激光烧结和立体光刻。
 
在熔丝制造中,普通玻璃产品的堆叠成形需要加热到1100℃以上或者通过溶胶/凝胶方法。在选择性激光熔化和选择性激光烧结法中,玻璃粉末需通过颗粒熔化或烧结来实现熔合。立体光刻技术则是基于光聚合的方法实现液体复合物的逐层聚合。
 
3D打印玻璃制品的难点在于,与金属或陶瓷相比,玻璃的透明度需要很高,而为了达到透明性,玻璃必须烧结到全密度。否则内部的孔隙率导致光散射,从而产生不透明的乳白色玻璃。

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图丨摩天大楼的玻璃(pixabay)
 
3D打印助力玻璃制造
近日,Kunal Masania等人在Nature Materials上发表文章,提出了一种多功能的3D打印玻璃技术,使用数字光处理打印机对光聚合液体树脂进行控制相分离,用于制备孔隙率可调的多组分玻璃整体,该方法可实现在体相尺度(工程孔隙率、表面化学和形状)上对聚合结构的精细形态调整,并在诸多领域有所应用。
 
科研人员采用的方法十分简单直接,即添加第二相可混溶的液体或者聚合物前驱体,能够诱导在聚合过程中的相分离。调节液体的相容性,则可以得到具有纳米结构的聚合物整体,后续通过蒸发或热分解去除第二相,则可形成聚合物的多孔结构。最终得到的产品纳米结构是由相分离过程决定的,即前驱体的混合比例和聚合条件。

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图1. 3D打印相分离树脂
 
在实验中,Masania等基于上述方法在各种的多组分玻璃中产生孔隙度梯度。该玻璃由半有机醇盐前体制成,可掺入磷源和硼源前驱体,从而产生多组分硅、磷和硼氧化物玻璃。相转变液体为丙烯酸酯,在烧结玻璃之前通过热解去除。将这些组分混合成单一前驱体溶液,然后使用经典的立体光刻工艺流程产生玻璃组分。
 
通过数字化的控制光的强度即可调节产品中的孔隙率,尺度从几微米至几百个纳米范围。由此可见,该技术既不需要设计特定的机械设备,也不需要复杂的流程工艺,可实现从两个尺度上控制玻璃产品:相分离过程控制微观空隙结构,光刻过程控制产品宏观尺寸结构。

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图2. 3D打印相分离树脂制造硼磷硅酸盐
 
结语
该研究工作开辟了孔隙率可调的多组分玻璃的3D技术,其中的核心步骤相分离过程是由光诱导聚合导致,因此可以非常方便地通过控制光来调控聚合过程。其次,该技术的应用领域广泛,例如设计催化剂的载体、色谱中的单体、高温或恶劣环境中应用的过滤器和过滤膜。总之,该技术是将现代自动化数字控制与传统制造工艺相结合的典型案例。
 
参考文献:
[1]Dorothea Helmer, Bastian E. Rapp, Divide and print. Nature Materials, 2020, 19:130-138.
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0594-y
[2] DavidG. Moore, Lorenzo Barbera, Kunal Masania, André R. Studart, Three-dimensionalprinting of multicomponent glasses using phase-separating resins. NatureMaterials, 2020, 19, 212-217.
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0525-y

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