只需加水——研究人員利用鹽水溶液的可逆鹽析效應開發(fā)新型3D打印墨水

導讀：未來，某些物品的3D打印很快將變得更快、更簡便、更環(huán)保。這是因為科學家已經研發(fā)出一種新型3D打印墨水。這種墨水在液體狀態(tài)下易于擠出，但一旦接觸到鹽水溶液，就會迅速凝固。

△當墨水被擠壓到覆蓋有鹽水的玻璃載玻片上時，它立即形成一個固體網格

2024年8月2日，南極熊獲悉，加州大學圣地亞哥分校的研究人員開發(fā)出一種新型3D打印墨水，當它接觸到鹽水時，會迅速從液態(tài)轉變?yōu)槟�膠狀態(tài)。這一特性使得在開發(fā)水溶性一次性電子電路、用于輸送小型材料的載體和智能執(zhí)行器方面具有巨大的潛力。

△該研究已發(fā)表在《自然通訊》期刊，題目為“利用鹽水溶液的可逆鹽析效應實現可持續(xù)的 3D 打印”（傳送門）

新型3D打印墨水研發(fā)技術背景

大多數人一想到3D打印，就會聯想到一種常用的技術，即熔融沉積成型（FDM）。這種方法涉及從噴嘴擠出熔融聚合物，在聚合物冷卻成固態(tài)時逐層沉積，用來構建物體。

另一種技術稱為直接墨水書寫（DIW），同樣涉及從噴嘴擠出物質。然而，在DIW中，這種物質是一種凝膠狀聚合物“墨水”，它的化學性質在擠出后會轉變?yōu)楣腆w。與FDM相比，DIW往往更具成本效益和能源效率，同時也允許使用更廣泛的聚合物來構建物體。

然而，該技術的一個缺點是通常需要使用有毒的化學催化劑和交聯劑來促進從液態(tài)到固態(tài)的轉變。這些化學物質不僅對人類和環(huán)境潛在有害，而且必須在打印后的步驟中添加，這增加了生產過程的持續(xù)時間和復雜性。因此，新型墨水的開發(fā)顯得尤為重要。

△加州大學圣地亞哥分校的研究人員正在研究PNIPAM 3D打印墨水

這種產品由加州大學圣地亞哥分校的Jinhye Bae教授及其同事開發(fā)，包含一種名為聚（N-異丙基丙烯酰胺）的液態(tài)聚合物溶液（簡稱PNIPAM）。碳納米管或石墨烯薄片等功能材料可以混入液體中。

△鹽析對PNIPAM溶液相變的影響

由于PNIPAM最初非常稀，因此只需很小的力氣就能輕松地將其從針頭中擠出。當將墨水擠入氯化鈣鹽水溶液中時，鹽離子會立即將水分子從墨水中吸出——這種現象稱為“鹽析”。留在墨水中的疏水（防水）聚合物鏈隨后聚集在一起，導致墨水立即變成固體。任何添加的功能材料也會被鎖定在那里。

△基于PNIPAM的溶液的流變特性

一種簡便且可持續(xù)的3D打印技術

與傳統(tǒng)的DIW打印不同，PNIPAM方法不需要使用有毒的化學催化劑或交聯劑，也無需額外的后處理步驟，因而更環(huán)保和高效。通過這種方法，可以打印復雜的結構，并且打印后的物體在需要時可以轉化回可用的液體形式，展示了廣泛的應用潛力，如電路板和智能裝置的制造。

△利用可逆鹽析效應的可持續(xù)3D打印及其潛在應用

總的來說，研究人員通過可逆的物理交聯和脫交聯過程，這種方法促進了PNIPAM溶液墨水的回收利用，有望推動環(huán)境友好型的3D打印技術發(fā)展。目前，該技術已經被用于打印用于給燈泡供電的電路板。