只需加水——研究人員利用鹽水溶液的可逆鹽析效應(yīng)開發(fā)新型3D打印墨水

導(dǎo)讀：未來，某些物品的3D打印很快將變得更快、更簡便、更環(huán)保。這是因為科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出一種新型3D打印墨水。這種墨水在液體狀態(tài)下易于擠出，但一旦接觸到鹽水溶液，就會迅速凝固。

△當(dāng)墨水被擠壓到覆蓋有鹽水的玻璃載玻片上時，它立即形成一個固體網(wǎng)格

2024年8月2日，南極熊獲悉，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員開發(fā)出一種新型3D打印墨水，當(dāng)它接觸到鹽水時，會迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟�膠狀態(tài)。這一特性使得在開發(fā)水溶性一次性電子電路、用于輸送小型材料的載體和智能執(zhí)行器方面具有巨大的潛力。

△該研究已發(fā)表在《自然通訊》期刊，題目為“利用鹽水溶液的可逆鹽析效應(yīng)實現(xiàn)可持續(xù)的 3D 打印”（傳送門）

新型3D打印墨水研發(fā)技術(shù)背景

大多數(shù)人一想到3D打印，就會聯(lián)想到一種常用的技術(shù)，即熔融沉積成型（FDM）。這種方法涉及從噴嘴擠出熔融聚合物，在聚合物冷卻成固態(tài)時逐層沉積，用來構(gòu)建物體。

另一種技術(shù)稱為直接墨水書寫（DIW），同樣涉及從噴嘴擠出物質(zhì)。然而，在DIW中，這種物質(zhì)是一種凝膠狀聚合物“墨水”，它的化學(xué)性質(zhì)在擠出后會轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。與FDM相比，DIW往往更具成本效益和能源效率，同時也允許使用更廣泛的聚合物來構(gòu)建物體。

然而，該技術(shù)的一個缺點是通常需要使用有毒的化學(xué)催化劑和交聯(lián)劑來促進(jìn)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。這些化學(xué)物質(zhì)不僅對人類和環(huán)境潛在有害，而且必須在打印后的步驟中添加，這增加了生產(chǎn)過程的持續(xù)時間和復(fù)雜性。因此，新型墨水的開發(fā)顯得尤為重要。

△加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員正在研究PNIPAM 3D打印墨水

這種產(chǎn)品由加州大學(xué)圣地亞哥分校的Jinhye Bae教授及其同事開發(fā)，包含一種名為聚（N-異丙基丙烯酰胺）的液態(tài)聚合物溶液（簡稱PNIPAM）。碳納米管或石墨烯薄片等功能材料可以混入液體中。

△鹽析對PNIPAM溶液相變的影響

由于PNIPAM最初非常稀，因此只需很小的力氣就能輕松地將其從針頭中擠出。當(dāng)將墨水?dāng)D入氯化鈣鹽水溶液中時，鹽離子會立即將水分子從墨水中吸出——這種現(xiàn)象稱為“鹽析”。留在墨水中的疏水（防水）聚合物鏈隨后聚集在一起，導(dǎo)致墨水立即變成固體。任何添加的功能材料也會被鎖定在那里。

△基于PNIPAM的溶液的流變特性

一種簡便且可持續(xù)的3D打印技術(shù)

與傳統(tǒng)的DIW打印不同，PNIPAM方法不需要使用有毒的化學(xué)催化劑或交聯(lián)劑，也無需額外的后處理步驟，因而更環(huán)保和高效。通過這種方法，可以打印復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且打印后的物體在需要時可以轉(zhuǎn)化回可用的液體形式，展示了廣泛的應(yīng)用潛力，如電路板和智能裝置的制造。

△利用可逆鹽析效應(yīng)的可持續(xù)3D打印及其潛在應(yīng)用

總的來說，研究人員通過可逆的物理交聯(lián)和脫交聯(lián)過程，這種方法促進(jìn)了PNIPAM溶液墨水的回收利用，有望推動環(huán)境友好型的3D打印技術(shù)發(fā)展。目前，該技術(shù)已經(jīng)被用于打印用于給燈泡供電的電路板。