3D打印科研突破：2024上半年Nature與Science的文章

南極熊導(dǎo)讀：隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，它已經(jīng)從一項(xiàng)新興技術(shù)迅速演變?yōu)槎囝I(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵工具。2024年，《Nature》和《Science》這兩份頂級(jí)科學(xué)期刊上發(fā)表了一系列關(guān)于3D打印的突破性研究，這些研究不僅展示了3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，還預(yù)示著其在未來(lái)制造業(yè)中的巨大潛力。


3D打印可制造多色發(fā)光結(jié)構(gòu)

2024年1月16日，來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部等的研究成員在光致發(fā)光領(lǐng)域取得突破，并借助3D打印技術(shù)制備了光致發(fā)光結(jié)構(gòu)。他們的研究結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表在了Science上，研究題目為Supramolecular assembly of blue and green halide perovskites with near-unity photoluminescence（具有近乎一致光致發(fā)光的藍(lán)色和綠色鹵化物鈣鈦礦的超分子組裝）。



從題目中不難發(fā)現(xiàn)，這篇文章主要關(guān)注的是鹵化物鈣鈦礦材料的合成及其在高效發(fā)光二極管（LED）中的應(yīng)用，但其中3D打印技術(shù)起到了關(guān)鍵作用：

●研究人員利用3D打印技術(shù)精確控制鹵化物鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。通過(guò)3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鹵化物鈣鈦礦薄膜的高度均勻分布，這對(duì)于提高LED的性能至關(guān)重要。

●通過(guò)優(yōu)化3D打印工藝，研究人員成功地制備了具有接近100%光致發(fā)光量子產(chǎn)率的藍(lán)色和綠色鹵化物鈣鈦礦材料，高效的光致發(fā)光特性表明這些材料非常適合用于制造高效率的LED。

●利用3D打印技術(shù)制備的鹵化物鈣鈦礦LED展示了出色的亮度、穩(wěn)定性和色純度。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印技術(shù)使得制備的LED具有更高的均勻性和一致性，從而提高了整體性能。


△實(shí)現(xiàn)藍(lán)綠雙色3D打印。 (A) 多材料 3D 打印過(guò)程示意圖。 （B 和 C）白光 (B) 和 254 nm 紫外線(xiàn) 激發(fā)下的兩座 3D 打印發(fā)光埃菲爾鐵塔。 (D) 254 nm 紫外線(xiàn)激發(fā)下的雙色發(fā)光埃菲爾鐵塔。 (E 到 H) 具有不同層次結(jié)構(gòu)和幾何形狀的共形和扭曲八位體桁架，包括立方八面體、十四面體和門(mén)格爾海綿結(jié)構(gòu)，分別具有藍(lán)色和綠色發(fā)射器或其組合。這些打印結(jié)構(gòu)在 254 nm 處進(jìn)行光激發(fā)。

這項(xiàng)研究為利用3D打印技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量鹵化物鈣鈦礦LED提供了可能性。3D打印技術(shù)不僅有助于提高LEDs的效率，還可能降低生產(chǎn)成本并簡(jiǎn)化制造過(guò)程。這種技術(shù)的進(jìn)步對(duì)于推動(dòng)未來(lái)顯示技術(shù)和照明領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

原文鏈接：DOI: 10.1126/science.adi4196

”一箭雙雕“：實(shí)現(xiàn)超均勻、高強(qiáng)塑性的3D打印鈦合金

2024年2月，重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與澳大利亞昆士蘭大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)表了題為Ultra-uniform, strong, and ductile 3D printed titanium alloy through bifunctional alloy design文章，提出一種“一箭雙雕”的合金設(shè)計(jì)策略，為探索多種金屬粉末原料、可變的打印合金體系、不同的3D打印技術(shù)以及先進(jìn)的多材料打印開(kāi)辟了一條途徑。



研究人員表示，金屬3D打印過(guò)程中通常涉及多重物理和冶金現(xiàn)象，從而賦予打印構(gòu)件復(fù)雜的微觀組織結(jié)構(gòu)和多樣的力學(xué)性能。但是在3D打印過(guò)程中，金屬經(jīng)常會(huì)形成粗大的柱狀晶粒和不均勻分布的相，這樣的組織結(jié)構(gòu)不僅導(dǎo)致打印構(gòu)件的力學(xué)性能不均勻，同時(shí)也會(huì)降低構(gòu)件的力學(xué)性能。因此，研究者們最初設(shè)想是尋求一種“一箭雙雕”的合金設(shè)計(jì)策略，從而直接通過(guò)3D打印獲得性能優(yōu)越和均勻的鈦合金。


△Mo納米顆粒的添加顯著提高了3D打印Ti-5553合金的力學(xué)性能及其均勻性


研究人員采用了雙功能合金設(shè)計(jì)策略，即通過(guò)合金元素的選擇和比例調(diào)整，以達(dá)到既增加合金強(qiáng)度又保持良好延展性的目的。雙功能合金設(shè)計(jì)使得3D打印的鈦合金具有超均勻的微觀結(jié)構(gòu)，這意味著材料內(nèi)部沒(méi)有明顯的局部差異，這有助于提高材料的整體性能�？偠�言之，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化3D打印工藝和合金成分，成功制備了具有超均勻微觀結(jié)構(gòu)的3D打印鈦合金，減少了材料內(nèi)部的缺陷，如裂紋、孔隙和其他不連續(xù)性，從而顯著提升了材料的機(jī)械性能，其屈服強(qiáng)度達(dá)926MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為26%，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與塑性的優(yōu)良匹配。


原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141

光固化3D打印“心臟創(chuàng)可貼”問(wèn)世，可修復(fù)受損心臟

2024年8月3日，來(lái)自科羅拉多大學(xué)博爾德分校 (CU Boulder) 和賓夕法尼亞大學(xué)的研究小組率先開(kāi)發(fā)出一種 3D 打印水凝膠材料工藝，這種材料既有彈性，又有粘性，而且有回彈性，可用于打印內(nèi)部繃帶以修復(fù)受損的心臟組織、軟骨補(bǔ)片或無(wú)針縫合線(xiàn)。研究以Additive manufacturing of highlyentangled polymer networks為題，發(fā)表在Science頂級(jí)期刊上。



這種彈性創(chuàng)可貼狀材料的制作得益于研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一種特殊 3D 打印工藝，此工藝稱(chēng)為 CLEAR（通過(guò)氧化還原引發(fā)輔助的光照后連續(xù)固化），本質(zhì)上可以控制打印過(guò)程中材料分子的交聯(lián)。這是通過(guò)結(jié)合使用“明暗聚合”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研究人員表示，這種新穎的3D打印方法在室溫下即可實(shí)現(xiàn)高單體轉(zhuǎn)化率，無(wú)需額外的刺激，例如打印后的光線(xiàn)或熱量，并且能夠通過(guò)增材制造生產(chǎn)高度糾纏的水凝膠和彈性體，與傳統(tǒng)的 DLP 相比，其延伸能量高出四到七倍。



△ CLEAR技術(shù)打印的多種彈性形狀


研究人員已為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了臨時(shí)專(zhuān)利，它不僅成功打印出比標(biāo)準(zhǔn) DLP 機(jī)器打印的部件更柔韌、更堅(jiān)韌的材料，而且還具有粘性，可以粘在組織上。Burdick 實(shí)驗(yàn)室的研究員 Matt Davidson 表示可以 3D 打印出強(qiáng)度足以支撐組織的粘合材料。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925

3D打印抗疲勞鈦合金取得突破性進(jìn)展

2024年2月，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂團(tuán)隊(duì)帶頭人張哲峰研究員在前期疲勞損傷機(jī)制和疲勞預(yù)測(cè)理論指導(dǎo)下，與輕質(zhì)高強(qiáng)材料研究部楊銳研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，提出了一種通過(guò)單獨(dú)調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)和缺陷來(lái)制造抗疲勞3D打印鈦合金的創(chuàng)新策略，稱(chēng)為凈增材制造制備（NAMP），研究成果于2024年2月29日以題為High fatigue resistance in a titaniumalloy via near void-free 3D printing發(fā)表在Nature正刊上。




研究人員表示，理想狀態(tài)下3D打印技術(shù)直接制備出的鈦合金組織（稱(chēng)為Net-AM組織）應(yīng)具有天然優(yōu)異的疲勞性能，而打印過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的3D打印材料疲勞性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲勞性能的關(guān)鍵在于消除打印氣孔的同時(shí)，需要盡可能保留原始打印的組織狀態(tài)。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細(xì)化組織的處理又會(huì)帶來(lái)氣孔復(fù)現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進(jìn)退兩難。


△打印態(tài)、NAMP態(tài)以及其他兩種典型狀態(tài)3D打印鈦合金組織和缺陷特征：（a）打印態(tài)；（b）熱等靜壓（HIP）態(tài)；（c）Near-net-AM態(tài)；（d）Net-AM態(tài)。

幸運(yùn)的是，研究人員在Ti-6Al-4V合金中首次發(fā)現(xiàn)，高溫下3D打印態(tài)組織的晶界遷移及氣孔長(zhǎng)大與相轉(zhuǎn)變過(guò)程表現(xiàn)出異步的特性，即存在一個(gè)熱處理工藝窗口，既可實(shí)現(xiàn)板條組織細(xì)化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復(fù)現(xiàn)。為此，研究人員巧妙地利用了這一工藝窗口，發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的NAMP新工藝（Net-Additive Manufacturing Process），最終制備出幾乎無(wú)氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。NAMP工藝步驟主要包括用于消除微孔的熱等靜壓 (HIP) 以及隨后用于恢復(fù)增材制造微觀結(jié)構(gòu)的高溫短時(shí) (HTSt) 熱處理具有細(xì)小的馬氏體板條，可以成功地使鈦合金恢復(fù)幾乎無(wú)空隙的Net-AM顯微組織。



原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1

微納3D打印可注射超聲傳感器，用于顱內(nèi)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)

2024年6月，華中科技大學(xué)臧劍鋒教授、姜曉兵教授以及新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授團(tuán)隊(duì)攜手合作，研發(fā)出一種創(chuàng)新型可注射超聲凝膠傳感器，有望克服傳統(tǒng)有線(xiàn)傳感器存在的感染風(fēng)險(xiǎn)和術(shù)后并發(fā)癥等問(wèn)題，同時(shí)避免現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)電子傳感器體積過(guò)大、無(wú)法體內(nèi)降解等臨床應(yīng)用挑戰(zhàn)。相關(guān)研究成果以Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals為題在線(xiàn)發(fā)表于Nature期刊。



研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一種新型傳感器結(jié)構(gòu)，名為"超聲超凝膠"，是由雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的水凝膠基質(zhì)和內(nèi)部周期性排列的空氣孔道組成，體積僅為2×2×2mm3。這種可注射傳感器是研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)(nanoArch® S140，精度：10 μm)加工模具后，經(jīng)水凝膠翻模制備而成。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該特殊結(jié)構(gòu)在8-10MHz頻段具有聲學(xué)帶隙，對(duì)入射超聲波有很強(qiáng)的反射能力。凝膠材料均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入體約1個(gè)月后可自然降解，無(wú)需再次開(kāi)顱取出。


△可注射、可降解的超凝膠超聲傳感器設(shè)計(jì)原理--基于超聲反射的超凝膠無(wú)線(xiàn)顱內(nèi)生理傳感器示意圖。


原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

總結(jié)
2024年以來(lái)，《Nature》和《Science》上發(fā)表了多篇關(guān)于3D打印的突破性研究成果，充分展示了3D打印的快速發(fā)展和廣闊前景。這些研究不僅拓寬了人們對(duì)3D打印技術(shù)的理解，還提供了新的工具和技術(shù)，以解決當(dāng)前和未來(lái)的挑戰(zhàn)。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和完善，相信它將在更多行業(yè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，從航空航天到生物醫(yī)學(xué)，從材料科學(xué)到環(huán)境保護(hù)，為人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)更多的積極變化。