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在最先進(jìn)的3D打印中，一滴樹(shù)脂滴在被稱(chēng)為“固化界面”的透明板上，準(zhǔn)備好接受已輸入好設(shè)計(jì)參數(shù)的紫外光。隨著紫外光的投影，樹(shù)脂一層一層變成固態(tài)，一顆牙齒逐漸在成型平臺(tái)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(guó)科學(xué)院化學(xué)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(guò)引入可退浸潤(rùn)的“三相接觸線(xiàn)”，顯著提高了3D打印的精度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)一滴成型。日前，這項(xiàng)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(xiàn)”

作為3D打印領(lǐng)域的前沿技術(shù)，單墨滴3D打印的實(shí)現(xiàn)仍需突破許多科學(xué)問(wèn)題?！霸趯?duì)樹(shù)脂這一類(lèi)光固化材料進(jìn)行3D打印時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)其表面往往不光滑?！彼窝恿指嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，液體樹(shù)脂不僅會(huì)在固化結(jié)構(gòu)的表面殘留，還會(huì)產(chǎn)生凸起或者臺(tái)階結(jié)構(gòu)。

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

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

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

光固化界面對(duì)單墨滴3D打印的影響（課題組供圖）

精準(zhǔn)打印不浪費(fèi)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(guò)程中受到限制。并且在高速打印時(shí)，樹(shù)脂紫外固化過(guò)程的放熱會(huì)讓打印過(guò)程變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致樹(shù)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的按需打印。實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用三個(gè)單獨(dú)的樹(shù)脂液滴成功實(shí)現(xiàn)了臼齒、門(mén)齒以及犬齒的打印，證實(shí)新方法具有結(jié)構(gòu)可控性。

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

精準(zhǔn)打印帶來(lái)的另一個(gè)好處則是材料利用率的提高。實(shí)驗(yàn)中，在打印24毫米長(zhǎng)的圓柱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí)，液態(tài)樹(shù)脂利用率達(dá)99.6%，僅有0.4%的液態(tài)樹(shù)脂殘留。這遠(yuǎn)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(zhuān)家看來(lái)，這項(xiàng)研究實(shí)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(yīng)用前景可期

多年來(lái)，宋延林課題組一直在應(yīng)用需求牽引下開(kāi)展基礎(chǔ)研究。“我們圍繞應(yīng)用中常見(jiàn)的幾類(lèi)3D打印材料進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，包括導(dǎo)電的金屬材料、光固化的高分子材料以及無(wú)機(jī)納米材料等?！彼窝恿直硎?，“在噴墨打印墨滴控制和功能界面操控液體行為領(lǐng)域取得了系列進(jìn)展?！?/p>

近兩年，他們通過(guò)圖案化浸潤(rùn)性表面實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴撞擊過(guò)程的精準(zhǔn)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(rùn)性和幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)流體間界面的可編程圖案化，對(duì)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(jìn)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(kāi)辟了新途徑。“除了牙齒之外，這項(xiàng)技術(shù)還可以用在隱型眼鏡等精細(xì)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