在5篇Science之中，挤出一篇Nature Materials封面
Glenn
2020-02-13
2019年，是3D打印的大年。回顾这365天，我们可以看到许多关于3D打印的激动人心的消息，这其中，就包括在Science发表的5篇研究工作：https://science.sciencemag.org/content/363/6431/1075https://science.sciencemag.xilesou.top/content/364/6439/458.abstract https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482https://science.sciencemag.org/content/366/6461/105
https://science.sciencemag.org/content/366/6463/360
这些重大成果，要么是研究3D打印在生物医学方面的应用，要么是提高打印速度。其实，还有一些关键问题并未得到解决，那就是打印材料的限制。在这5篇Science之后，3D打印再传捷报：3D打印征服玻璃，这个有着5000多年历史的传统行业，即将和21世纪最前沿的技术之一，碰撞出火花。这项成果发表于Nature Materials，并被选为封面文章。Nature Materials官网对此进行了专门述评，Nature官网对此进行了Highlight。3D打印技术，也称为增材制造技术，即以CAD创建数字模型，然后在二维尺度上分层解析，通过3D打印机将材料逐层堆叠，最终形成三维产品。区别于传统基于道具、夹具和机床的制造工艺，3D打印的优势在于：作为21世纪最重要的材料之一，玻璃在我们的日常生活中无处不在，从人手一部的智能手机到为数十亿家庭提供互联网接入的光纤组件，没有玻璃的生活无法想象。尽管3D打印技术具有众多长处，可供3D打印使用的材料的选择却仍然有限，目前的3D打印主要适用于塑料制品和少量金属制品，玻璃材料基本难以实现3D打印。3D打印很难制造玻璃制品主要归因于玻璃的一些最突出的特性，特别是它的高化学和热稳定性，使得广泛使用的三维打印技术途径难以进行结构构造和打印，如熔丝制造、选择性激光熔化、选择性激光烧结和立体光刻。在熔丝制造中，普通玻璃产品的堆叠成形需要加热到1100℃以上或者通过溶胶/凝胶方法。在选择性激光熔化和选择性激光烧结法中，玻璃粉末需通过颗粒熔化或烧结来实现熔合。立体光刻技术则是基于光聚合的方法实现液体复合物的逐层聚合。3D打印玻璃制品的难点在于，与金属或陶瓷相比，玻璃的透明度需要很高，而为了达到透明性，玻璃必须烧结到全密度。否则内部的孔隙率导致光散射，从而产生不透明的乳白色玻璃。
近日，Kunal Masania等人在Nature Materials上发表文章，提出了一种多功能的3D打印玻璃技术，使用数字光处理打印机对光聚合液体树脂进行控制相分离，用于制备孔隙率可调的多组分玻璃整体，该方法可实现在体相尺度（工程孔隙率、表面化学和形状）上对聚合结构的精细形态调整，并在诸多领域有所应用。科研人员采用的方法十分简单直接，即添加第二相可混溶的液体或者聚合物前驱体，能够诱导在聚合过程中的相分离。调节液体的相容性，则可以得到具有纳米结构的聚合物整体，后续通过蒸发或热分解去除第二相，则可形成聚合物的多孔结构。最终得到的产品纳米结构是由相分离过程决定的，即前驱体的混合比例和聚合条件。在实验中，Masania等基于上述方法在各种的多组分玻璃中产生孔隙度梯度。该玻璃由半有机醇盐前体制成，可掺入磷源和硼源前驱体，从而产生多组分硅、磷和硼氧化物玻璃。相转变液体为丙烯酸酯，在烧结玻璃之前通过热解去除。将这些组分混合成单一前驱体溶液，然后使用经典的立体光刻工艺流程产生玻璃组分。通过数字化的控制光的强度即可调节产品中的孔隙率，尺度从几微米至几百个纳米范围。由此可见，该技术既不需要设计特定的机械设备，也不需要复杂的流程工艺，可实现从两个尺度上控制玻璃产品：相分离过程控制微观空隙结构，光刻过程控制产品宏观尺寸结构。
该研究工作开辟了孔隙率可调的多组分玻璃的3D技术，其中的核心步骤相分离过程是由光诱导聚合导致，因此可以非常方便地通过控制光来调控聚合过程。其次，该技术的应用领域广泛，例如设计催化剂的载体、色谱中的单体、高温或恶劣环境中应用的过滤器和过滤膜。总之，该技术是将现代自动化数字控制与传统制造工艺相结合的典型案例。[1]Dorothea Helmer, Bastian E. Rapp, Divide and print. Nature Materials, 2020, 19:130-138.https://www.nature.com/articles/s41563-019-0594-y[2] DavidG. Moore, Lorenzo Barbera, Kunal Masania, André R. Studart, Three-dimensionalprinting of multicomponent glasses using phase-separating resins. NatureMaterials, 2020, 19, 212-217.https://www.nature.com/articles/s41563-019-0525-y
