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美科学家受自然界细胞结构启发,开发出制备新型3D打印材料的方法
罗纳尔多 2017-03-03
导语

受自然界细胞结构的启发,哈佛大学生物启发工程怀斯研究所,哈佛大学约翰·鲍尔森工程与应用科学学院和麻省理工学院的研究人员开发了一种制备新型3D打印材料的方法。这个方法利用陶瓷泡沫油墨来实现宏观和微观孔隙率的独立调控。

大自然用有限的设计材料创造奇妙的产物。例如,草可以支撑其自身重量,抵抗强风力负荷,并且能在被吹倒之后恢复。植物的耐寒性来自它中空、管状宏观结构和多孔或细胞微结构的组合。这些结构特征共同作用,使得草具有强大的机械性能。

受自然界细胞结构的启发,哈佛大学生物启发工程怀斯研究所,哈佛大学约翰·鲍尔森工程与应用科学学院(SEAS)和麻省理工学院的研究人员开发了一种制备新型3D打印材料的方法。这个方法利用陶瓷泡沫油墨来实现宏观和微观孔隙率的独立调控。他们的方法可以用于制造轻质结构材料、隔热或组织支架。相关研究成果发表在著名期刊《美国科学院院报》(PNAS)上。

怀斯研究所核心教员,SEAS生物启发工程的Hansjörg Wyss教授,同时也是本文的资深作者Jennifer Lewis提到:“通过扩大可印刷材料的组成空间,我们可以生产出具有特殊刚度的轻质结构”。

Lewis实验室使用的陶瓷泡沫油墨含有氧化铝颗粒,水和空气。Lewis实验室的研究生,也是本文的第一作者Joseph Muth说:“泡沫油墨很有趣,因为你可以在更大的细胞宏观结构中对其微观结构进行数字图案化。油墨凝固后,得到的结构由被多个长度尺度的陶瓷材料包围的空气组成。当你在结构中加入孔隙时,你将赋予它本来不会有的性质。”

通过控制泡沫的微观结构,研究人员可以调控油墨的性能,以及它在微观尺度上如何变形。 通过优化,团队可以打印具有可调几何形状,密度和刚度的轻质六角形和三角形蜂窝。

麻省理工大学材料科学和工程的Matoula S. Salapatas教授,也是本文的共同作者Lorna Gibson博士说,“这个过程结合了两个世界的优势,你可以通过泡沫处理和全局架构控制来实现微观结构控制。因为我们正在打印已经包含特定微结构的东西,所以不必对每个单独的样品进行图案化。这就使我们能够以比以前更可控的方式来获得具有特定层次的结构。

Muth说,“现在我们可以制造多功能材料,在这些材料中,包括机械性能、热性能和传输特性在内的许多不同的材料特性可以在一个简单的打印步骤中进行结构优化。”

虽然该团队专注于用于该研究的单一陶瓷材料,但可印刷泡沫油墨还是可以由许多材料制成的,包括其他陶瓷、金属和聚合物。

Lewis说,“这项工作代表了迈向构建多孔材料的可扩展制造的重要一步。

文章链接:

Joseph T. Muth, et al, "Architected cellular ceramics with tailored stiffness via direct foam writing," PNAS, 2017,114(8):1832-1837;

(本文来源:新材料导读)

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作者 罗纳尔多

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北京理工大学

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