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(kāi)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(kāi)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(lái)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(zhǎng)材料，”他說(shuō)道。
立體光刻技術(shù)，3D Systems公司率先采用的液態(tài)樹(shù)脂3D打印技術(shù)，以及Formlabs等公司推廣的液體樹(shù)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(shù)脂上，該液體樹(shù)脂響應(yīng)于光而固化（硬化），逐層地形成固體物體。通過(guò)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(zhǎng)停止，然后在稍后的時(shí)間點(diǎn)重新開(kāi)始。
早在2013年，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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?chē)聠误w，將它們并入原始材料中。Johnson說(shuō)：“這里的優(yōu)勢(shì)是你可以打開(kāi)燈，它們成長(zhǎng)，你把燈關(guān)掉，它們停止。原則上，你可以無(wú)限期地重復(fù)，它們可以繼續(xù)成長(zhǎng)。”
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(guò)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(lái)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(guò)由光打開(kāi)的有機(jī)催化劑活化。當(dāng)受到來(lái)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(zhǎng)，”Johnson說(shuō)。
通過(guò)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(guò)添加某種類(lèi)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(guò)在互連區(qū)域上照射光來(lái)熔化兩個(gè)3D打印物體。研究人員說(shuō)，“這個(gè)特定的過(guò)程可以用來(lái)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(wú)氧，因?yàn)樵谠撨^(guò)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(cè)試可在有氧環(huán)境下催化類(lèi)似聚合的其它催化劑。
通過(guò)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(kāi)了幾個(gè)令人興奮的機(jī)會(huì)。
