作者詹姆斯·巴丹姆，加州大学圣巴巴拉分校 从左至右:未链接的聚合物油墨，红外光被用于激活交联，以及最终产品——超软、超弹性交联弹性体
信用:伊莎贝尔·查宾伊克 加州大学圣巴巴拉分校的材料助理教授克里斯托弗·贝茨和材料教授兼系主任迈克尔·夏宾克的实验室研究人员合作开发了第一种三维可打印的“瓶刷”弹性体
这种新材料使得印刷品具有不同寻常的柔软性和弹性——其机械性能与人体组织非常相似
传统弹性体
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橡胶比许多生物组织更坚硬
这是由于其组成聚合物的大小和形状，这些聚合物是长的线性分子，很容易像煮熟的意大利面条一样缠绕在一起
相比之下，瓶刷聚合物在线性骨架上附着了额外的聚合物，导致其结构更类似于你可能在厨房里找到的瓶刷
瓶刷聚合物结构赋予形成极其柔软的弹性体的能力
三维打印瓶刷弹性体的能力使得在需要仔细控制物体尺寸的应用中利用这些独特的机械性能成为可能，这些物体从仿生组织到高灵敏度电子设备，如触摸板、传感器和致动器
两位博士后研究人员——任绪安·谢和桑吉·慕克吉——在开发新材料的过程中发挥了关键作用
他们的发现发表在《科学进步》杂志上
谢和慕克吉的关键发现涉及纳米尺度的瓶刷聚合物的自组装，这种自组装在施加压力时引起固液转变
这种材料被归类为屈服应力流体，这意味着它开始时是一种保持其形状的半软固体，像黄油或牙膏，但当施加足够的压力时，它会液化，并可以通过注射器挤压
该团队利用这一特性，在一种被称为直接墨水书写(DIW)的三维打印过程中创建墨水
研究人员可以调整材料，使其在不同的压力下流动，以匹配所需的加工条件
“例如，也许你想让聚合物在不同程度的压力下保持其形状，比如当振动出现时，”谢说
“我们的材料可以保持几个小时的形状
这很重要，因为如果材料在印刷过程中下垂，印刷部分的结构稳定性会很差
" 一旦物体被印刷出来，紫外线就会照射到它上面，激活慕克吉合成的交联剂，并将其作为油墨配方的一部分
交联剂可以连接附近的瓶刷聚合物，形成超软弹性体
在这一点上，这种材料变成了永久固体——在压力下不再液化——并表现出非凡的性能
“我们从没有交联的长聚合物开始，”谢说
“这让它们像流体一样流动
但是，当你把光照射在它们上面后，聚合物链之间的小分子发生反应，并连接在一起形成一个网络，所以你就有了一种固体，一种弹性体，当被拉伸时，它会恢复到原来的形状
" 材料的柔软度是根据其模量来衡量的，对于大多数弹性体来说，它相当高，这意味着它们的硬度和弹性类似于橡皮筋
“我们材料的模量比橡皮筋小一千倍，”谢指出
“它超级柔软——感觉非常像人体组织——而且非常有弹性
它可以伸展大约三至四倍的长度
" 意外的墨水 慕克吉偶然发现了这种材料，当时他试图为一个不同的项目开发一种材料，这种材料可以增加致动器可以储存的电荷数量
当合成橡胶来找谢进行表征时，他立刻知道它是特殊的
“我马上就能看出它是不同的，因为它能很好地保持它的形状，”他回忆道
贝茨说:“当我们看到这种定义明确的屈服应力时，每个人都开始意识到我们可以三维打印它，这很酷，因为我们所知的三维打印材料都没有这种超柔软的特性。”
" 灌丛聚合物已经存在了二十多年
但是，贝茨说，“由于合成化学的进步，对这些独特分子的大小和形状提供了精确的控制，这个领域在过去的十年里有了很大的发展
“这些超软弹性体可能适用于植入，”他补充说
“如果植入物的机械性能与天然组织相匹配，你也许能够减少炎症和身体的排斥反应
" Chabinyc指出，这种新材料的另一个重要因素是它是纯聚合物
“它们不含水或其他溶剂，人工使它们变软，”他说
为了理解聚合物中没有水的重要性，想到果冻是有帮助的，果冻主要是水，可以保持其形状，但前提是水留在里面
“如果水消失了，那么你就只有一堆不成形的材料了，”查宾伊克说
“对于传统的聚合物，你必须找出如何在其中保持适量的水来维持其结构，但这种新材料都是固体，所以它永远不会改变
" 此外，这种新材料可以在没有溶剂的情况下进行三维印刷和加工，这也是不寻常的
“人们经常加入溶剂来液化固体，这样它就可以从喷嘴中挤出来，”谢说，“但是如果你加入溶剂，它必须在印刷后蒸发，导致物体改变形状或破裂。”
" 慕克吉补充说，“我们希望材料和印刷过程尽可能干净和简单，所以我们用溶解度和自组装来玩化学把戏，这使得无溶剂过程成为可能
事实上，我们不使用溶剂是一个巨大的优势
"
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