南加州大學(xué)Yong Chen團(tuán)隊(duì)《Science》子刊：電場(chǎng)輔助3D打印仿貝殼智能結(jié)構(gòu)

來源：高分子科學(xué)前沿

輕質(zhì)且堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)材料由于其在航空航天，體育，運(yùn)輸，建筑，和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而受到越來越多的關(guān)注。此外，用于健康監(jiān)測(cè)的多功能可穿戴式傳感器由于其重要的實(shí)際使用價(jià)值也成為了研究的熱點(diǎn)。但是，大多數(shù)的可穿戴壓阻式傳感器是柔性的而不能保護(hù)人體。具有防護(hù)性能的多功能可穿戴傳感器具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但是其制備是一個(gè)難點(diǎn)。為了解決這一問題，University of Southern California（南加州大學(xué)）Yong Chen教授團(tuán)隊(duì)和合作者向大自然學(xué)習(xí)，從貝殼的分層結(jié)構(gòu)中獲取靈感，利用電場(chǎng)輔助3D打印制備具有貝殼微結(jié)構(gòu)的智能頭盔，使其兼具保護(hù)和自感應(yīng)性能。論文以Electrically assisted 3D printing of nacre-inspired structures with self-sensing capability為題，發(fā)表在《科學(xué)》的子刊《Science Advances》，南加州大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程系博士后Yang Yang為第一作者，Yong Chen教授為通訊作者，合作者有南加州大學(xué)生物工程系Qifa Zhou教授，南加州大學(xué)土木工程系Qiming Wang教授，南加州大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程系博士生Xiangjia Li, Jie Jin, 南加州大學(xué)土木工程系博士生Kunhao Yu，和南加州大學(xué)材料系碩士生Ming Chu和Haofan Sun。

在自然界中，貝殼進(jìn)化出了堅(jiān)硬的外殼以保護(hù)其柔軟的身體。其卓越防護(hù)性能的秘密在于它的多尺度的“磚-泥”（Brick and Mortar）結(jié)構(gòu)，這種突出的特性是輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。Yong Chen團(tuán)隊(duì)和合作者利用電場(chǎng)輔助的3D 打印技術(shù)，通過電場(chǎng)控制石墨烯納米片在光固化樹脂里面的排列來實(shí)現(xiàn)仿貝殼的多尺度微結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1.（A,B）電場(chǎng)輔助3D打印制備仿生貝殼結(jié)構(gòu)示意圖，（C,D）通過電場(chǎng)排列石墨烯納米片的原理示意圖，（E）3D打印仿生貝殼及其微結(jié)構(gòu)。

該技術(shù)解決了傳統(tǒng)方法中只能制備薄膜或者簡(jiǎn)單塊狀仿貝殼結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)，通過3D 打印可以制備出具有復(fù)雜形狀的三維結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)所制備的仿生貝殼結(jié)構(gòu)可以達(dá)到與天然貝殼相類似的韌性和強(qiáng)度，同時(shí)具有較低的密度，滿足輕質(zhì)材料的需求。通過微觀結(jié)構(gòu)分析可以觀察到與天然貝殼相類似的裂紋偏移（crack deflection）（圖2）。由于表面處理的石墨烯納米片與光固化樹脂之間的強(qiáng)粘合力，排列之后的石墨烯納米片可以作為介質(zhì)吸收能量并粘結(jié)住裂縫，阻止裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而提高其機(jī)械性能。

圖2. （A,B）電場(chǎng)輔助3D打印制備仿生貝殼的流程圖，（C,D,E）天然貝殼的壓力測(cè)試曲線和斷裂微結(jié)構(gòu)圖，（F,G,H）3D打印仿生貝殼的壓力測(cè)試曲線和斷裂微結(jié)構(gòu)圖。

此外，由于石墨烯納米片具有非常優(yōu)異的電導(dǎo)率，該研究小組制備了具有優(yōu)異力學(xué)和電學(xué)性能的三維頭盔。智能頭盔具有防護(hù)性能，同時(shí)可以通過測(cè)量其電阻變化來檢測(cè)裂紋的形成和擴(kuò)展，并通過LED燈泡的亮度作為警報(bào)來直觀查看，從而提高了頭盔的安全性（圖3）。同時(shí)，通過三維掃描和三維打印結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)頭盔和其他智能可穿戴設(shè)備的可定制化。這種新的制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)，堅(jiān)固和智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。未來在生物醫(yī)學(xué)，航空航天，體育和軍事工業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的潛在應(yīng)用。

圖3. （A,B,C）3D打印貝殼的各向異性的電性能和原理示意圖，（D）3D打印制備智能頭盔的流程圖，（E,H）含有未排列石墨烯納米片的3D打印頭盔不具有自感應(yīng)功能，（F,I）含有電場(chǎng)排列石墨烯納米片的3D打印頭盔具有自感應(yīng)功能。

來源：高分子科學(xué)前沿