Matter首批論文上線：3D打印“穿針引線”成就電子織物

來源： Cell Press

提到“可穿戴設備”，你首先想到的大概是智能手表、google眼鏡等，但你能想象某天，我們身上穿的衣服就是一件“可穿戴設備”嗎？據(jù)了解，清華大學化學系張瑩瑩副教授的團隊正在將這種類似于科幻的場景變?yōu)楝F(xiàn)實：通過將自行設計的同軸噴絲頭集成到3D打印機上，在織物上實現(xiàn)了功能性皮芯結(jié)構(gòu)纖維的直接打印，可靈活制作各種個性化功能圖案，還能通過這些智能圖案進行能量的收集和存儲。該研究成果于3月27日發(fā)表于CellPress細胞出版社旗下材料旗艦新期刊Matter上。

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針對該論文的主要亮點等，Cell Press邀請張瑩瑩副教授接受了專訪。

“我們對直寫式3D打印機進行了改裝，運用同軸噴絲頭實現(xiàn)了在織物上直接打印同軸皮芯導電纖維，并展示了所打印圖案在能源管理方面的應用�！鼻迦A大學化學系副教授張瑩瑩介紹說， “常見的3D打印機的單軸噴絲頭每次只能打印一種墨水，這極大地限制了打印組分的多樣性，也限制了對所打印圖案功能的設計。”

為了進行概念驗證，張瑩瑩副教授團隊用如下兩種墨水展示了電子織物的3D打印制作：利用碳納米管溶液（CNT ink）用于制作纖維導電芯層，利用蠶絲蛋白溶液（silk fibroin ink）用于制作纖維介電皮層（當然也可以根據(jù)對柔性、生物兼容性、耐水性等方面的需求，靈活選用其他的墨水組合）。蠶絲蛋白和碳納米管墨水通過注射泵連接在裝有同軸噴絲頭的3D打印機上，兩種打印墨水同時被擠出并直接在織物基底上形成皮芯結(jié)構(gòu)纖維構(gòu)成的各種個性化定制圖案。用這種方式，他們打印了漢字“打印”、英文字母“silk”和一只美麗的和平鴿。

有別于常見的將生產(chǎn)好的電子纖維編織到織物中的方法，該打印方法在制備電子纖維的同時完成了其在織物上的集成，極大地提高了電子織物的生產(chǎn)效率。這種打印技術(shù)可通過選擇多種墨水組合，將不同的功能單元一次性集成在織物中（類似于彩色打印機中裝有不同顏色的墨水），為穿戴電子的集成提供了便捷的可規(guī)�；�的途徑。當然這種方法打印的分辨率將受限于3D打印機的機械移動精度和噴嘴的尺寸。

“未來還可以在3D打印機上加裝多軸噴絲頭或者具有其他新功能的噴絲頭，為3D打印結(jié)構(gòu)帶來更加靈活豐富的組分搭配可能和結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)多功能電子織物的高效制備。”張瑩瑩副教授說。

關于張瑩瑩副教授

張瑩瑩副教授2002年于山東大學化學與化工學院獲得學士學位，2007年于北京大學化學與分子工程學院獲得博士學位。2007-2008年就職于強生全球創(chuàng)新研究中心（上海），2008-2011年在美國Los Alamos國家實驗室從事博士后研究。2011年加入清華大學，現(xiàn)任化學系副教授、博士生導師。研究領域為納米碳材料的可控制備及其柔性可穿戴期間研究，以及功能蠶絲的設計、制備及其柔性可穿戴器件研究。
專訪

使衣物變身“可穿戴設備”可謂腦洞大開的想法，是什么最初促使您的團隊開展相關研究？
張瑩瑩副教授：柔性可穿戴領域是一個新興的、多學科交叉的領域。我對柔性可穿戴技術(shù)的興趣源于10年前在美國做博士后時，后來開始獨立科研工作，我的課題組便致力于柔性可穿戴材料與器件的研究。提到“可穿戴”電子，最理想的載體莫過于衣物，因此，使衣物變身可穿戴設備也就自然而然引發(fā)了包括我們在內(nèi)的同行科研團隊的興趣。

您認為使用3D打印技術(shù)“打印”電子紡織品的難點主要有哪些？您的團隊是如何攻克的？
張瑩瑩副教授：在初期階段，通過設計適用于3D打印的材料實現(xiàn)電子紡織品的直接打印是最關鍵的一步。在實現(xiàn)所需功能的基礎上，還要考慮墨水的組分、可打印性、安全性、穩(wěn)定性等基本問題。在本工作中，我們設計了同軸噴絲頭并將其集成到3D打印機上，實現(xiàn)了在織物上進行功能性皮芯結(jié)構(gòu)纖維和智能電子器件的直接打印。通過設計化學組分、調(diào)控流變性能，我們制備了絲素蛋白和碳納米管兩種可用于3D打印的墨水，并實現(xiàn)了絲素蛋白-碳納米管皮芯結(jié)構(gòu)纖維在織物上的直接打印成型。


您認為此次研究取得的最具突破性的成果是？
張瑩瑩副教授：在本工作中，我們首次實現(xiàn)了皮芯結(jié)構(gòu)纖維在織物上的直接打印，并通過制作蠶絲能源管理織物進行了展示。


人們對于衣物的要求包括舒適、美觀及功能性等，您覺得采用3D打印技術(shù)制作出的電子紡織品可以同時滿足人們的這些需求嗎？
張瑩瑩副教授：是的。本工作中所制作的蠶絲智能織物可以滿足上述需求。

您認為該項技術(shù)的商業(yè)化前景如何？經(jīng)濟性如何？
張瑩瑩副教授：考慮到較低的材料和設備成本，該技術(shù)具有良好的商業(yè)化前景，特別是在個性化可穿戴電子的制備中會有突出優(yōu)勢。



能否透露下您團隊的下一步研究計劃。
張瑩瑩副教授：我們將繼續(xù)致力于新型柔性可穿戴材料、器件和制備技術(shù)的研究，特別是與蠶絲和納米碳材料相關的研究。近期計劃開發(fā)更加豐富多樣的可穿戴傳感功能，并發(fā)展便捷的可穿戴電子集成技術(shù)。

來源： Cell Press