南加州大學Yong Chen團隊《Science》子刊：電場輔助3D打印仿貝殼智能結構

來源：高分子科學前沿

輕質且堅固的結構材料由于其在航空航天，體育，運輸，建筑，和生物醫(yī)學等領域的廣泛應用而受到越來越多的關注。此外，用于健康監(jiān)測的多功能可穿戴式傳感器由于其重要的實際使用價值也成為了研究的熱點。但是，大多數(shù)的可穿戴壓阻式傳感器是柔性的而不能保護人體。具有防護性能的多功能可穿戴傳感器具有非常重要的實際應用價值，但是其制備是一個難點。為了解決這一問題，University of Southern California（南加州大學）Yong Chen教授團隊和合作者向大自然學習，從貝殼的分層結構中獲取靈感，利用電場輔助3D打印制備具有貝殼微結構的智能頭盔，使其兼具保護和自感應性能。論文以Electrically assisted 3D printing of nacre-inspired structures with self-sensing capability為題，發(fā)表在《科學》的子刊《Science Advances》，南加州大學工業(yè)與系統(tǒng)工程系博士后Yang Yang為第一作者，Yong Chen教授為通訊作者，合作者有南加州大學生物工程系Qifa Zhou教授，南加州大學土木工程系Qiming Wang教授，南加州大學工業(yè)與系統(tǒng)工程系博士生Xiangjia Li, Jie Jin, 南加州大學土木工程系博士生Kunhao Yu，和南加州大學材料系碩士生Ming Chu和Haofan Sun。

在自然界中，貝殼進化出了堅硬的外殼以保護其柔軟的身體。其卓越防護性能的秘密在于它的多尺度的“磚-泥”（Brick and Mortar）結構，這種突出的特性是輕量化設計的基礎。Yong Chen團隊和合作者利用電場輔助的3D 打印技術，通過電場控制石墨烯納米片在光固化樹脂里面的排列來實現(xiàn)仿貝殼的多尺度微結構（圖1）。

圖1.（A,B）電場輔助3D打印制備仿生貝殼結構示意圖，（C,D）通過電場排列石墨烯納米片的原理示意圖，（E）3D打印仿生貝殼及其微結構。

該技術解決了傳統(tǒng)方法中只能制備薄膜或者簡單塊狀仿貝殼結構的難點，通過3D 打印可以制備出具有復雜形狀的三維結構。該團隊所制備的仿生貝殼結構可以達到與天然貝殼相類似的韌性和強度，同時具有較低的密度，滿足輕質材料的需求。通過微觀結構分析可以觀察到與天然貝殼相類似的裂紋偏移（crack deflection）（圖2）。由于表面處理的石墨烯納米片與光固化樹脂之間的強粘合力，排列之后的石墨烯納米片可以作為介質吸收能量并粘結住裂縫，阻止裂縫的進一步擴展，從而提高其機械性能。

圖2. （A,B）電場輔助3D打印制備仿生貝殼的流程圖，（C,D,E）天然貝殼的壓力測試曲線和斷裂微結構圖，（F,G,H）3D打印仿生貝殼的壓力測試曲線和斷裂微結構圖。

此外，由于石墨烯納米片具有非常優(yōu)異的電導率，該研究小組制備了具有優(yōu)異力學和電學性能的三維頭盔。智能頭盔具有防護性能，同時可以通過測量其電阻變化來檢測裂紋的形成和擴展，并通過LED燈泡的亮度作為警報來直觀查看，從而提高了頭盔的安全性（圖3）。同時，通過三維掃描和三維打印結合,可以實現(xiàn)頭盔和其他智能可穿戴設備的可定制化。這種新的制造技術可以實現(xiàn)輕質，堅固和智能結構的設計和制造。未來在生物醫(yī)學，航空航天，體育和軍事工業(yè)等領域有著廣闊的潛在應用。

圖3. （A,B,C）3D打印貝殼的各向異性的電性能和原理示意圖，（D）3D打印制備智能頭盔的流程圖，（E,H）含有未排列石墨烯納米片的3D打印頭盔不具有自感應功能，（F,I）含有電場排列石墨烯納米片的3D打印頭盔具有自感應功能。

來源：高分子科學前沿