獨(dú)特的自我修復(fù)材料的潛在用途很多，從固定手機(jī)屏幕到電子器件再到生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用?，F(xiàn)在，來自南加州大學(xué)（USC）維特比工程學(xué)院的學(xué)生和教師研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了使用自我修復(fù)橡膠材料的3D打印機(jī)，可用于修復(fù)破裂的玩具、電子產(chǎn)品、軟機(jī)器人、輪胎、甚至鞋底等等。

 為了制作這種材料，研究人員使用了一種采用光聚合的3D打印機(jī)方法，該方法使用光將液態(tài)樹脂固化成所需的幾何形狀。研究人員在一篇名為“密封修復(fù)彈性體的添加劑制造”的論文中進(jìn)一步解釋了他們的工作，該論文最近發(fā)表在Nature雜志上。

      摘要寫道：“自我修復(fù)和3D塑形方面都表現(xiàn)出色;例如，可自行修復(fù)的人體器官具有功能幾何形狀和微觀結(jié)構(gòu)。然而，將人造自愈材料定制為復(fù)雜結(jié)構(gòu)將面臨重大挑戰(zhàn)。在這里，我們報告了一種基于光聚合的添加劑制造的自由形態(tài)結(jié)構(gòu)的自粘彈性體結(jié)構(gòu)的范例。該范例依賴于分子設(shè)計(jì)的具有硫醇和二硫化物基團(tuán)的光彈性體油墨，其中前者在3D打印過程中促進(jìn)烯光聚合，后者在自愈過程中實(shí)現(xiàn)二硫化物復(fù)分解反應(yīng)?！?/p>

      我們發(fā)現(xiàn)硫醇和二硫化物基團(tuán)之間的競爭決定了光彈性體的光固化速率和自愈合效率。用理論模型理解光彈性體的自愈合行為，該理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合。通過投影微光刻系統(tǒng)，我們展示了用于3D軟驅(qū)動器，多相復(fù)合材料和架構(gòu)電子設(shè)備的單材料和多材料自修復(fù)結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)。

與各種基于光聚合的添加劑制造系統(tǒng)兼容，光彈性體有望為制造結(jié)構(gòu)開辟有前途的途徑，其中自由形式的結(jié)構(gòu)和有效的自我修復(fù)都是可取的。

      在使材料自我修復(fù)時，團(tuán)隊(duì)必須對其化學(xué)進(jìn)行一些深入的研究。您可以通過與硫醇化學(xué)基團(tuán)的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)光聚合，硫醇化學(xué)基團(tuán)可以通過添加氧化劑轉(zhuǎn)化為二硫化物。用第二組化學(xué)物質(zhì)制成的物體如果破裂就能自行改造，因此研究人員只需要找出正確的比例。

      南加州大學(xué)維特比助理教授王啟明解釋說，“當(dāng)我們逐漸增加氧化劑時，自愈行為變得更強(qiáng)，但光聚合行為變?nèi)?。這兩種行為之間存在競爭。最終我們找到了能夠?qū)崿F(xiàn)高自愈和相對快速光聚合的比例。

      該團(tuán)隊(duì)可以在短短五秒鐘內(nèi)從材料中用3D打印機(jī)打印出17.5毫米的正方形，并且可以在大約20分鐘內(nèi)制作整個物體。為了他們的研究目的，該研究由美國國家科學(xué)基金會和空軍科學(xué)研究青年研究員計(jì)劃辦公室資助，該團(tuán)隊(duì)在幾種產(chǎn)品上測試了這種能力，包括電子傳感器，軟機(jī)器人和鞋子墊等。

  一旦這些3D打印機(jī)制造的物品被切成兩半，它們將在兩小時后的60°C完全愈合，除了電子設(shè)備（由于傳輸電力碳需要4小時才能愈合）通過提高溫度，維修將更快地進(jìn)行，并且物體不僅將保留其功能而且還保持其強(qiáng)度。

      南加州大學(xué)維特比學(xué)生和該研究的第一作者Kunhao Yu說道：“在不同的溫度下，從40攝氏度到60攝氏度材料可以愈合到幾乎100％。通過改變溫度，我們可以控制愈合速度，即使在室溫下材料仍然可以自愈?！?/p>

 這種自修復(fù)材料可以幫助減少制造時間，并提高各種行業(yè)的許多產(chǎn)品的耐用性和使用壽命。研究人員現(xiàn)在專注于制造各種硬度的自愈材料，從軟橡膠到硬質(zhì)塑料，有朝一日可用于修復(fù)復(fù)合材料，防彈衣和車輛部件等。