南加州大學研究出使用自我修復材料的3D打印機

　　獨特的自我修復材料的潛在用途很多，從固定手機屏幕到電子器件再到生物醫(yī)學應用。現(xiàn)在，來自南加州大學(USC)維特比工程學院的學生和教師研究團隊創(chuàng)造了使用自我修復橡膠材料的3D打印機，可用于修復破裂的玩具、電子產(chǎn)品、軟機器人、輪胎、甚至鞋底等等。

　　為了制作這種材料，研究人員使用了一種采用光聚合的3D打印機方法，該方法使用光將液態(tài)樹脂固化成所需的幾何形狀。研究人員在一篇名為“密封修復彈性體的添加劑制造”的論文中進一步解釋了他們的工作，該論文最近發(fā)表在Nature雜志上。

　　摘要寫道：“自我修復和3D塑形方面都表現(xiàn)出色;例如，可自行修復的人體器官具有功能幾何形狀和微觀結(jié)構(gòu)。然而，將人造自愈材料定制為復雜結(jié)構(gòu)將面臨重大挑戰(zhàn)。在這里，我們報告了一種基于光聚合的添加劑制造的自由形態(tài)結(jié)構(gòu)的自粘彈性體結(jié)構(gòu)的范例。該范例依賴于分子設計的具有硫醇和二硫化物基團的光彈性體油墨，其中前者在3D打印過程中促進烯光聚合，后者在自愈過程中實現(xiàn)二硫化物復分解反應。”

　　我們發(fā)現(xiàn)硫醇和二硫化物基團之間的競爭決定了光彈性體的光固化速率和自愈合效率。用理論模型理解光彈性體的自愈合行為，該理論模型與實驗結(jié)果很好地吻合。通過投影微光刻系統(tǒng)，我們展示了用于3D軟驅(qū)動器，多相復合材料和架構(gòu)電子設備的單材料和多材料自修復結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)。

　　與各種基于光聚合的添加劑制造系統(tǒng)兼容，光彈性體有望為制造結(jié)構(gòu)開辟有前途的途徑，其中自由形式的結(jié)構(gòu)和有效的自我修復都是可取的。

　　在使材料自我修復時，團隊必須對其化學進行一些深入的研究。您可以通過與硫醇化學基團的反應實現(xiàn)光聚合，硫醇化學基團可以通過添加氧化劑轉(zhuǎn)化為二硫化物。用第二組化學物質(zhì)制成的物體如果破裂就能自行改造，因此研究人員只需要找出正確的比例。

　　南加州大學維特比助理教授王啟明解釋說，“當我們逐漸增加氧化劑時，自愈行為變得更強，但光聚合行為變?nèi)酢＿@兩種行為之間存在競爭。最終我們找到了能夠?qū)崿F(xiàn)高自愈和相對快速光聚合的比例。

　　該團隊可以在短短五秒鐘內(nèi)從材料中用3D打印機打印出17.5毫米的正方形，并且可以在大約20分鐘內(nèi)制作整個物體。為了他們的研究目的，該研究由美國國家科學基金會和空軍科學研究青年研究員計劃辦公室資助，該團隊在幾種產(chǎn)品上測試了這種能力，包括電子傳感器，軟機器人和鞋子墊等。

　　一旦這些3D打印機制造的物品被切成兩半，它們將在兩小時后的60°C完全愈合，除了電子設備(由于傳輸電力碳需要4小時才能愈合)通過提高溫度，維修將更快地進行，并且物體不僅將保留其功能而且還保持其強度。

　　南加州大學維特比學生和該研究的第一作者Kunhao Yu說道：“在不同的溫度下，從40攝氏度到60攝氏度材料可以愈合到幾乎100%。通過改變溫度，我們可以控制愈合速度，即使在室溫下材料仍然可以自愈。”

　　這種自修復材料可以幫助減少制造時間，并提高各種行業(yè)的許多產(chǎn)品的耐用性和使用壽命。研究人員現(xiàn)在專注于制造各種硬度的自愈材料，從軟橡膠到硬質(zhì)塑料，有朝一日可用于修復復合材料，防彈衣和車輛部件等。

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