化學家們用LED光改變3D打印對象結構
2023-11-03
近日，麻省理工學院的化學家們開發(fā)了一種新的3D打印技術，允許改變打印對象的化學結構和多個3D打印對象的化學連接。據(jù)悉，該技術可以大大擴展使用3D打印創(chuàng)建的對象的復雜性。
3D打印是一種令人難以置信的制造技術，能夠從許多種材料中創(chuàng)造許多東西。但是技術還有局限性：一方面，3D打印對象總體上是不可改變的。它們可以進行后處理、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結構則是固定不變的。但現(xiàn)在，麻省理工學院的一組化學專家們已經開發(fā)出用于改變3D打印物體化學結構的新技術，其化學成分可以在打印后改變，該技術還允許多個3D打印對象融合在一起。
現(xiàn)在，麻省理工學院的團隊在最近的ACS中央科學期刊上發(fā)表了他們的研究成果。 Jeremiah Johnson是麻省理工學院化學專業(yè)的Firmenich職業(yè)發(fā)展副教授，也是研究論文的高級作者，他向MIT工作人員解釋如何使用這種新技術來增加3D打印對象的復雜性。“這個想法是，你可以打印一個材料，然后采取這種材料，使用光將材料變成別的東西，或進一步增長材料，”他說道。
立體光刻技術，3D Systems公司率先采用的液態(tài)樹脂3D打印技術，以及Formlabs等公司推廣的液體樹脂3D打印技術是3D打印技術普通用戶更為準確的工藝之一。立體光刻3D打印機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”的技術相結合，Johnson及其團隊已經能夠創(chuàng)建3D打印材料，可以讓其生長停止，然后在稍后的時間點重新開始。
早在2013年，麻省理工學院的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過使用紫外線，他們可以打破3D打印結構的聚合物，創(chuàng)建被稱為“自由基”的反應分子。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，你把燈關掉，它們停止。原則上，你可以無限期地重復，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3D打印材料施加過度的損傷。但麻省理工學院的化學專家們想出了另一個方法：來自LED的藍色光。如用于3D打印的聚合物包含化學基團TTC，其可以通過由光打開的有機催化劑活化。當受到來自LED的藍光時，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，麻省理工學院的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以改變3D打印對象結構的各種屬性，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，化學家也能夠使材料響應于溫度膨脹或收縮。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3D打印物體。研究人員說，“這個特定的過程可以用來創(chuàng)造巨大的、化學穩(wěn)定的3D打印結構，并擁有前所未有的復雜性。”
現(xiàn)在，研究人員面臨的一個障礙是將實驗的環(huán)境保持為無氧，因為在該過程中使用的有機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和材料科學領域，麻省理工學院的研究人員為高級3D打印打開了幾個令人興奮的機會。
