南加州大学Yong Chen团队《Science》子刊：电场辅助3D打印仿贝壳智能结构

来源：高分子科学前沿

轻质且坚固的结构材料由于其在航空航天，体育，运输，建筑，和生物医学等领域的广泛应用而受到越来越多的关注。此外，用于健康监测的多功能可穿戴式传感器由于其重要的实际使用价值也成为了研究的热点。但是，大多数的可穿戴压阻式传感器是柔性的而不能保护人体。具有防护性能的多功能可穿戴传感器具有非常重要的实际应用价值，但是其制备是一个难点。为了解决这一问题，University of Southern California（南加州大学）Yong Chen教授团队和合作者向大自然学习，从贝壳的分层结构中获取灵感，利用电场辅助3D打印制备具有贝壳微结构的智能头盔，使其兼具保护和自感应性能。论文以Electrically assisted 3D printing of nacre-inspired structures with self-sensing capability为题，发表在《科学》的子刊《Science Advances》，南加州大学工业与系统工程系博士后Yang Yang为第一作者，Yong Chen教授为通讯作者，合作者有南加州大学生物工程系Qifa Zhou教授，南加州大学土木工程系Qiming Wang教授，南加州大学工业与系统工程系博士生Xiangjia Li, Jie Jin, 南加州大学土木工程系博士生Kunhao Yu，和南加州大学材料系硕士生Ming Chu和Haofan Sun。

在自然界中，贝壳进化出了坚硬的外壳以保护其柔软的身体。其卓越防护性能的秘密在于它的多尺度的“砖-泥”（Brick and Mortar）结构，这种突出的特性是轻量化设计的基础。Yong Chen团队和合作者利用电场辅助的3D 打印技术，通过电场控制石墨烯纳米片在光固化树脂里面的排列来实现仿贝壳的多尺度微结构（图1）。

图1.（A,B）电场辅助3D打印制备仿生贝壳结构示意图，（C,D）通过电场排列石墨烯纳米片的原理示意图，（E）3D打印仿生贝壳及其微结构。

该技术解决了传统方法中只能制备薄膜或者简单块状仿贝壳结构的难点，通过3D 打印可以制备出具有复杂形状的三维结构。该团队所制备的仿生贝壳结构可以达到与天然贝壳相类似的韧性和强度，同时具有较低的密度，满足轻质材料的需求。通过微观结构分析可以观察到与天然贝壳相类似的裂纹偏移（crack deflection）（图2）。由于表面处理的石墨烯纳米片与光固化树脂之间的强粘合力，排列之后的石墨烯纳米片可以作为介质吸收能量并粘结住裂缝，阻止裂缝的进一步扩展，从而提高其机械性能。

图2. （A,B）电场辅助3D打印制备仿生贝壳的流程图，（C,D,E）天然贝壳的压力测试曲线和断裂微结构图，（F,G,H）3D打印仿生贝壳的压力测试曲线和断裂微结构图。

此外，由于石墨烯纳米片具有非常优异的电导率，该研究小组制备了具有优异力学和电学性能的三维头盔。智能头盔具有防护性能，同时可以通过测量其电阻变化来检测裂纹的形成和扩展，并通过LED灯泡的亮度作为警报来直观查看，从而提高了头盔的安全性（图3）。同时，通过三维扫描和三维打印结合,可以实现头盔和其他智能可穿戴设备的可定制化。这种新的制造技术可以实现轻质，坚固和智能结构的设计和制造。未来在生物医学，航空航天，体育和军事工业等领域有着广阔的潜在应用。

图3. （A,B,C）3D打印贝壳的各向异性的电性能和原理示意图，（D）3D打印制备智能头盔的流程图，（E,H）含有未排列石墨烯纳米片的3D打印头盔不具有自感应功能，（F,I）含有电场排列石墨烯纳米片的3D打印头盔具有自感应功能。

来源：高分子科学前沿