只需加水——研究人员利用盐水溶液的可逆盐析效应开发新型3D打印墨水

导读：未来，某些物品的3D打印很快将变得更快、更简便、更环保。这是因为科学家已经研发出一种新型3D打印墨水。这种墨水在液体状态下易于挤出，但一旦接触到盐水溶液，就会迅速凝固。

△当墨水被挤压到覆盖有盐水的玻璃载玻片上时，它立即形成一个固体网格

2024年8月2日，南极熊获悉，加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发出一种新型3D打印墨水，当它接触到盐水时，会迅速从液态转变为凝胶状态。这一特性使得在开发水溶性一次性电子电路、用于输送小型材料的载体和智能执行器方面具有巨大的潜力。

△该研究已发表在《自然通讯》期刊，题目为“利用盐水溶液的可逆盐析效应实现可持续的 3D 打印”（传送门）

新型3D打印墨水研发技术背景

大多数人一想到3D打印，就会联想到一种常用的技术，即熔融沉积成型（FDM）。这种方法涉及从喷嘴挤出熔融聚合物，在聚合物冷却成固态时逐层沉积，用来构建物体。

另一种技术称为直接墨水书写（DIW），同样涉及从喷嘴挤出物质。然而，在DIW中，这种物质是一种凝胶状聚合物“墨水”，它的化学性质在挤出后会转变为固体。与FDM相比，DIW往往更具成本效益和能源效率，同时也允许使用更广泛的聚合物来构建物体。

然而，该技术的一个缺点是通常需要使用有毒的化学催化剂和交联剂来促进从液态到固态的转变。这些化学物质不仅对人类和环境潜在有害，而且必须在打印后的步骤中添加，这增加了生产过程的持续时间和复杂性。因此，新型墨水的开发显得尤为重要。

△加州大学圣地亚哥分校的研究人员正在研究PNIPAM 3D打印墨水

这种产品由加州大学圣地亚哥分校的Jinhye Bae教授及其同事开发，包含一种名为聚（N-异丙基丙烯酰胺）的液态聚合物溶液（简称PNIPAM）。碳纳米管或石墨烯薄片等功能材料可以混入液体中。

△盐析对PNIPAM溶液相变的影响

由于PNIPAM最初非常稀，因此只需很小的力气就能轻松地将其从针头中挤出。当将墨水挤入氯化钙盐水溶液中时，盐离子会立即将水分子从墨水中吸出——这种现象称为“盐析”。留在墨水中的疏水（防水）聚合物链随后聚集在一起，导致墨水立即变成固体。任何添加的功能材料也会被锁定在那里。

△基于PNIPAM的溶液的流变特性

一种简便且可持续的3D打印技术

与传统的DIW打印不同，PNIPAM方法不需要使用有毒的化学催化剂或交联剂，也无需额外的后处理步骤，因而更环保和高效。通过这种方法，可以打印复杂的结构，并且打印后的物体在需要时可以转化回可用的液体形式，展示了广泛的应用潜力，如电路板和智能装置的制造。

△利用可逆盐析效应的可持续3D打印及其潜在应用

总的来说，研究人员通过可逆的物理交联和脱交联过程，这种方法促进了PNIPAM溶液墨水的回收利用，有望推动环境友好型的3D打印技术发展。目前，该技术已经被用于打印用于给灯泡供电的电路板。