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在最先進的3D打印中，一滴樹脂滴在被稱為“固化界面”的透明板上，準備好接受已輸入好設計參數(shù)的紫外光。隨著紫外光的投影，樹脂一層一層變成固態(tài)，一顆牙齒逐漸在成型平臺下顯現(xiàn)，光滑、潔白。

一滴成型的3D牙齒（課題組提供視頻截圖）

中國科學院化學研究所研究員宋延林和副研究員吳磊共同完成了這一令人驚嘆的3D打印，他們提出單墨滴3D打印策略，通過引入可退浸潤的“三相接觸線”，顯著提高了3D打印的精度和穩(wěn)定性，實現(xiàn)一滴成型。日前，這項研究在《自然-通訊》（Nature Communications）上發(fā)表。論文第一作者為博士生張虞。

論文截圖

神奇的“三相接觸線”

作為3D打印領(lǐng)域的前沿技術(shù)，單墨滴3D打印的實現(xiàn)仍需突破許多科學問題。“在對樹脂這一類光固化材料進行3D打印時，我們發(fā)現(xiàn)其表面往往不光滑?！彼窝恿指嬖V《中國科學報》，液體樹脂不僅會在固化結(jié)構(gòu)的表面殘留，還會產(chǎn)生凸起或者臺階結(jié)構(gòu)。

他帶領(lǐng)研究人員從光固化界面的科學問題入手，嘗試破解這一難題?！叭嘟佑|線（TCL）”是一個核心概念，指的是滴上液滴的固化界面、液體樹脂及空氣的固-液-氣三相的接觸線，與浸潤、黏附和潤滑等現(xiàn)象緊密相關(guān)。而實現(xiàn)單墨滴3D打印的關(guān)鍵是三相接觸線的可控回縮。

2018年，受豬籠草表面被束縛的液體可以降低對物質(zhì)的粘附的啟發(fā)，他們利用超潤滑界面來減少固態(tài)樹脂與固化界面之間的粘附，使液滴接觸這類表面時很容易滑移。

在最新的這項研究中，他們進一步對氟化石英、超雙疏和超潤滑等三種固化界面與液體樹脂、固態(tài)樹脂之間的粘附規(guī)律進行總結(jié)。最后發(fā)現(xiàn)，只有液體樹脂與固態(tài)樹脂的粘附力大于固化界面與液體樹脂的粘附力，同時后者還要大于固化界面與固態(tài)樹脂粘附力時，才能實現(xiàn)單墨滴3D打印。

光固化界面對單墨滴3D打印的影響（課題組供圖）

精準打印不浪費墨滴

基于光固化的連續(xù)3D打印技術(shù)已成為構(gòu)造3D結(jié)構(gòu)最有前途的方法之一，但是其精度和材料利用率在連續(xù)快速打印過程中受到限制。并且在高速打印時，樹脂紫外固化過程的放熱會讓打印過程變得不穩(wěn)定，導致樹脂殘留，降低3D打印的分辨率。

最新發(fā)表的論文中，單墨滴3D打印技術(shù)能夠克服這一問題，實現(xiàn)精準的按需打印。實驗中，研究人員使用三個單獨的樹脂液滴成功實現(xiàn)了臼齒、門齒以及犬齒的打印，證實新方法具有結(jié)構(gòu)可控性。

吳磊向《中國科學報》介紹：“我們看到，單墨滴可完全轉(zhuǎn)化為所設計的牙齒結(jié)構(gòu)，并且具有邊緣完整性?！?/p>

精準打印帶來的另一個好處則是材料利用率的提高。實驗中，在打印24毫米長的圓柱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時，液態(tài)樹脂利用率達99.6%，僅有0.4%的液態(tài)樹脂殘留。這遠高于傳統(tǒng)光固化連續(xù)3D打印技術(shù)50%左右的利用率。

在業(yè)內(nèi)專家看來，這項研究實現(xiàn)了最高材料利用率的高精度3D打印。

單墨滴3D打印牙齒結(jié)構(gòu)（課題組供圖）

應用前景可期

多年來，宋延林課題組一直在應用需求牽引下開展基礎(chǔ)研究?！拔覀儑@應用中常見的幾類3D打印材料進行了基礎(chǔ)研究，包括導電的金屬材料、光固化的高分子材料以及無機納米材料等?！彼窝恿直硎荆霸趪娔蛴∧慰刂坪凸δ芙缑娌倏匾后w行為領(lǐng)域取得了系列進展?！?/p>

近兩年，他們通過圖案化浸潤性表面實現(xiàn)了對液滴撞擊過程的精準調(diào)控，為液體表面能的利用和液滴碰撞行為的精確調(diào)控提供了全新的思路；提出微結(jié)構(gòu)浸潤性和幾何結(jié)構(gòu)的設計原則，實現(xiàn)流體間界面的可編程圖案化，對發(fā)展微型器件的制備新方法上具有重要意義；創(chuàng)造了利用模板控制液體限域控制顆粒組裝圖案化的新方法，成為納米印刷技術(shù)在先進制造領(lǐng)域的突破。

最新發(fā)表論文中的單墨滴3D打印技術(shù)則有望為可控、按需制備3D結(jié)構(gòu)開辟了新途徑。“除了牙齒之外，這項技術(shù)還可以用在隱型眼鏡等精細產(chǎn)品的制造上?！彼窝恿种赋?。（甘曉）

論文信息：Doi：10.1038/s41467-020-18518-1