化學(xué)家們用LED光改變3D打印對(duì)象結(jié)構(gòu)
2023-11-03
近日，麻省理工學(xué)院的化學(xué)家們開發(fā)了一種新的3D打印技術(shù)，允許改變打印對(duì)象的化學(xué)結(jié)構(gòu)和多個(gè)3D打印對(duì)象的化學(xué)連接。據(jù)悉，該技術(shù)可以大大擴(kuò)展使用3D打印創(chuàng)建的對(duì)象的復(fù)雜性。
3D打印是一種令人難以置信的制造技術(shù)，能夠從許多種材料中創(chuàng)造許多東西。但是技術(shù)還有局限性：一方面，3D打印對(duì)象總體上是不可改變的。它們可以進(jìn)行后處理、打磨，甚至加工成更小的形狀，但是3D打印聚合物物體的化學(xué)結(jié)構(gòu)則是固定不變的。但現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一組化學(xué)專家們已經(jīng)開發(fā)出用于改變3D打印物體化學(xué)結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，其化學(xué)成分可以在打印后改變，該技術(shù)還允許多個(gè)3D打印對(duì)象融合在一起。
現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)在最近的ACS中央科學(xué)期刊上發(fā)表了他們的研究成果。 Jeremiah Johnson是麻省理工學(xué)院化學(xué)專業(yè)的Firmenich職業(yè)發(fā)展副教授，也是研究論文的高級(jí)作者，他向MIT工作人員解釋如何使用這種新技術(shù)來增加3D打印對(duì)象的復(fù)雜性。“這個(gè)想法是，你可以打印一個(gè)材料，然后采取這種材料，使用光將材料變成別的東西，或進(jìn)一步增長材料，”他說道。
立體光刻技術(shù)，3D Systems公司率先采用的液態(tài)樹脂3D打印技術(shù)，以及Formlabs等公司推廣的液體樹脂3D打印技術(shù)是3D打印技術(shù)普通用戶更為準(zhǔn)確的工藝之一。立體光刻3D打印機(jī)將一系列明亮的投影照射到一桶液體樹脂上，該液體樹脂響應(yīng)于光而固化（硬化），逐層地形成固體物體。通過采用立體光刻并將其與稱為“活性聚合”的技術(shù)相結(jié)合，Johnson及其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠創(chuàng)建3D打印材料，可以讓其生長停止，然后在稍后的時(shí)間點(diǎn)重新開始。
早在2013年，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過使用紫外線，他們可以打破3D打印結(jié)構(gòu)的聚合物，創(chuàng)建被稱為“自由基”的反應(yīng)分子。自由基然后可以綁定到周圍新單體，將它們并入原始材料中。Johnson說：“這里的優(yōu)勢是你可以打開燈，它們成長，你把燈關(guān)掉，它們停止。原則上，你可以無限期地重復(fù)，它們可以繼續(xù)成長。”
不幸的是，試圖控制自由基被證明是非常困難的，對(duì)3D打印材料施加過度的損傷。但麻省理工學(xué)院的化學(xué)專家們想出了另一個(gè)方法：來自LED的藍(lán)色光。如用于3D打印的聚合物包含化學(xué)基團(tuán)TTC，其可以通過由光打開的有機(jī)催化劑活化。當(dāng)受到來自LED的藍(lán)光時(shí)，這些TTC隨著新單體附著而伸展。由于這些單體均勻地加入，它們?yōu)椴牧咸峁┝诵碌男阅堋?ldquo;我們可以采取宏觀材料，并按我們想要的方式成長，”Johnson說。
通過使用LED光技術(shù)，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以改變3D打印對(duì)象結(jié)構(gòu)的各種屬性，包括它們的剛度和疏水性（它們排斥或吸收水的程度）。通過添加某種類型的單體，化學(xué)家也能夠使材料響應(yīng)于溫度膨脹或收縮。除此之外，他們能夠通過在互連區(qū)域上照射光來熔化兩個(gè)3D打印物體。研究人員說，“這個(gè)特定的過程可以用來創(chuàng)造巨大的、化學(xué)穩(wěn)定的3D打印結(jié)構(gòu)，并擁有前所未有的復(fù)雜性。”
現(xiàn)在，研究人員面臨的一個(gè)障礙是將實(shí)驗(yàn)的環(huán)境保持為無氧，因?yàn)樵谠撨^程中使用的有機(jī)催化劑在氧存在下不能起作用。然而，該組測試可在有氧環(huán)境下催化類似聚合的其它催化劑。
通過合并聚合物科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域，麻省理工學(xué)院的研究人員為高級(jí)3D打印打開了幾個(gè)令人興奮的機(jī)會(huì)。
