一种新型聚合物将使3D打印更加有效

长期以来，我一直试图效仿生物学的伎俩，将性质迥异的材料连接成没有弱点的无缝功能单元，就像骨骼、结缔组织和皮肤连接到四肢上一样。传统的制造技术，首先制造不同成分的部件，然后才将其装配在一起，这使得这种仿真变得困难。然而，三维打印在原则上提供了一种实现这一点的方法，它允许材料在应用于不断生长的结构时进行混合。位于大学站的美国陆军研究实验室和德克萨斯&安培大学的一组研究人员现在认为，他们已经把原则变成了实践。

他们感兴趣的材料被称为相互键合聚合物网络，他们特别关注的那些材料具有相同的基本化学成分。简单的聚合物是一个分子链，其链节称为单体。相互键合的聚合物网络包括第二组单体，它们与第一组单体形成化学键。重要的是，这些第二单体是对称的分子，所以两端都可以连接。这意味着它们可以通过在链之间的许多地方形成交联来将聚合物链结合在一起，从而形成类似于网的结构。该网络的物理属性将取决于交联的密度。密度是由进行混合的化学家控制的。

据该项目德克萨斯州和安大略省负责人斯维特拉娜·苏希什维利(Svetlana Sukhishvili)介绍，该团队选择的一对单体可以用来制造硬度从软橡胶的稠度到汽车保险杠和飞机顶篷所用的硬塑料等各种材料。至关重要的是，这些单体的预聚合混合物具有相同的粘度，而不管它们所形成的聚合物网络的最终机械性能如何。这意味着，如果打印在一起，当它们接触时，它们很容易相互融合，而不是遭受所谓的弱层间粘附力-这是标准3打印的一种弊病，当受到压力时，会导致这样打印的物体分裂。结果是足够强大的，足以充当承重构件。

因此，在物体中获得所需的各种特性很简单，问题是加载一组带有不同预聚合混合物的打印喷嘴，并根据需要交换它们。例如，这样做可以制造出具有耐磨外表面和减震内部的轮子，或者制造出柔韧但具有刚性支撑脊椎以增强强度的转子叶片。相互粘合的聚合物网络也可以制造更好的外科假肢。

最重要的是，如果由新材料制成的部件损坏，即使没有加热，任何微小的裂缝也会自动封闭。裂纹通过拉开交叉链的方式在材料中传播。一旦造成裂缝的力量消失，这些环节就会自发地进行改革。根据苏希什维利博士在陆军研究实验室的对立面弗兰克·加迪亚(Frank Gardea)的说法，在室温下，骨折会消失，材料会在12小时内自行愈合。加尔迪亚博士说，对于更坚硬的材料，可能需要加热才能完全愈合，他们正在寻找做到这一点的方法。持续的自我修复可以极大地延长部件的寿命，否则这些部件就会屈服于正常的磨损。

这种新材料还具有“形状记忆”功能。如果它们变形了，加热会使它们恢复到原来的形状。相反，原始首选形状的对象可以通过加热、变形和冷却来重新编程以采用新的形状。

新材料的早期应用之一将是为美军机器人制造零部件。作为这种方法的原型，研究人员建造了一只微型手，其手指利用材料的形状记忆效应在没有马达的情况下移动。加尔迪亚博士建议，另一种应用可能是制造变形无人机，这种无人机可以像鸟类一样，在飞行中改变翅膀的形态，在高效巡航、高速冲刺和极端机动性之间切换。与此同时，苏希什维利博士正在研究对新材料进行编程，使其对光做出反应。她认为，通过在聚合物网络中添加光敏分子单元，只要适当地照亮它们，就有可能改变它们的性质，包括刚度和形状。可以说，这将赋予照片处理这一概念全新的意义。。

这篇文章发表在印刷版的科学与技术版块，标题为“联合探讨”。