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导语 宋延林研究员课题组简介 宋延林研究员课题组聚焦国家和行业重大需求，以打印印刷中的基础科学问题为突破点，以引领印刷产业的“绿色化、功能化、立体化、器件化”发展思路为主线，率先开展纳米材料与印刷技术的创新融合研究。课题组的主要研究方向包括：（1）纳米绿色印刷基础研究。（2）绿色印刷材料与技术。（3）印刷电子材料与技术。（4）印刷光子材料与技术。 前沿科研成果 单墨滴连续3D打印 基于光固化的连续3D打印技术已成为构造3D结构最有前途的方法之一，但是其精度和材料利用率在连续快速打印过程中受到限制。为实现按需打印并同时提高打印过程的稳定性，宋延林研究员课题组提出了单墨滴3D打印策略，他们通过在3D打印体系中引入可退浸润的三相接触线（TCL），可显著减少液体树脂在固化结构表面的残留；同时降低了界面间的粘附及增加了液体内部树脂的流动，可防止高速打印过程中由于树脂持续处于高强度辐照状态下导致的凸起或台阶结构，从而显著提高3D打印的精度和稳定性，实现一滴成型（图1）。 图1. 单墨滴3D打印过程的机理及光学图像 （来源：Nat. Commun.） 实现单墨滴3D打印的关键是三相接触线的可控回缩，这主要取决于光固化界面的界面性质。该课题组在之前的研究工作中提出可利用仿生超润滑界面来减少固化树脂与固化界面之间的粘附（Research, 2018, 2018, 479560, Nature Communications, 2020, 11, 521）。除了仿生超润滑表面，光滑的疏水表面和具有微纳复合结构的超双疏表面也具有低粘附特性。他们基于上述表面进行了单墨滴3D打印研究。研究发现，在光滑的疏水表面上TCL可回缩，但由于基底粘附，无法实现单墨滴打印；在超双疏基底上，可实现单墨滴连续打印，但其低粘附性是基于其表面的微纳结构所捕获的空气层，打印过程不稳定，使得打印结构具有竖直条纹；而在仿生超润滑表面可实现连续、稳定的打印。他们系统性地将三种固化表面与液体树脂（γ1）、固态树脂的粘附（γ2）及液体树脂和固态树脂之间的粘附（γ3）规律进行了总结，发现只有同时满足γ1>γ3，γ3>γ2才能实现单墨滴3D打印（图2）。 图2. 光固化界面性质对单墨滴3D打印的影响 （来源：Nat. Commun.） 他们研究了单墨滴3D打印材料的净利用率。发现随液滴质量的增加，单墨滴材料利用率降低；随着UV投影面积的增加，单墨滴材料利用率增加；随着树脂的三维分布增大或长宽比的增大，单墨滴材料利用率降低，因此可通过以上因素调控单墨滴打印的净利用率（图3）。 图3. 墨滴尺寸和UV图案参数对单墨滴3D打印材料利用率的影响 （来源：Nat. Commun.） 为了证明单墨滴3D打印方法具有结构可控性，他们打印了不同位置的三种牙齿结构，单个墨滴可完全转化为所设计的精细结构，并且具有边缘完整性。该方法为可控、按需制备3D结构开辟了新途径（图4）。 图4. 单墨滴3D打印牙齿结构 （来源：Nat. Commun.） 这一成果以“Continuous 3D printing from one single droplet”为题发表在Nature Communications上（Nat. Commun., 2020, 11, 4685），文章的第一作者是中国科学院化学研究所的博士生张虞，通讯作者是中国科学院化学研究所的宋延林研究员和吴磊 这一成果以“Continuous 3D printing from one single droplet”为题发表在Nature Communications上（Nat. Commun., 2020, 11, 4685），文章的第一作者是中国科学院化学研究所的博士生张虞，通讯作者是中国科学院化学研究所的宋延林研究员和吴磊副研究员（论文作者：Yu Zhang, Zhichao Dong, Chuxin Li, Huifeng Du, N. X. Fang, Lei Wu and Yanlin Song）。该项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心的支持。 |
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