如何將原本流動的液態(tài)金屬, 像“打發(fā)奶油”一樣“立起來”,應(yīng)用于3D打印之中?
近日,廈門大學(xué)材料學(xué)院白華教授與胡曉蘭副教授團隊的研究取得重要進展。他們制備了一種新型液態(tài)金屬高內(nèi)相乳液凝膠,可以被直接用于3D打印。同時,首次實現(xiàn)通過施加電場來激活油墨導(dǎo)電,并最終實現(xiàn)了液態(tài)金屬在多種復(fù)雜場景中的3D打印。相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然·通訊》。
而“讓液態(tài)金屬立起來”的故事背后,是該團隊連續(xù)3年的刻苦鉆研。
當(dāng)液態(tài)金屬遇上3D打印
液態(tài)金屬在常溫下呈現(xiàn)液態(tài),可以隨意改變形狀,同時具有良好的導(dǎo)電性,是可穿戴和可植入生物設(shè)備以及軟機器人領(lǐng)域重要的材料。
3D打印是重要的材料加工技術(shù),液態(tài)金屬與其結(jié)合可以給材料加工帶來更多新的可能。但3D打印制造物件是自下而上的過程,這要求使用的材料需要有一定的固態(tài),流動的液態(tài)金屬顯然無法做到。
所以如何讓二者結(jié)合起來,以實現(xiàn)“1+1>2”的效果,是白華教授團隊想要解決的難題。白華說:“我們一直在找一種方法,可以讓液態(tài)金屬保持我們希望的形狀,能像蓋高樓一樣,在三維空間‘豎’起來?!?/p>
白華教授團隊博士生林澤文想到,具有黏性的蛋清通過打發(fā),在發(fā)泡以后就能不再流動,而成為相對穩(wěn)定的奶油,如果在液態(tài)金屬中加入某種材料將它變成介于液體和固體之間的乳液,在顆粒之間形成堆積,也就可以讓它保持自身的形狀,像奶油一樣“支棱”起來。而尋找到適合的材料便是他從2021年開始思考與研究的問題。
當(dāng)“幸運”來敲門
這樣的關(guān)建材料到底是什么呢?
2021年寒假期間,林澤文依然苦苦思索著這個問題。這種材料要讓液態(tài)金屬“發(fā)泡”,但是在打印之后不能影響液態(tài)金屬本身的導(dǎo)電性,就像消失了一樣。而林澤文在使用洗手凝膠時,發(fā)現(xiàn)洗手凝膠會在使用時消失,便決定嘗試將它與液態(tài)金屬相結(jié)合,看一看會發(fā)生什么作用。
他幸運地發(fā)現(xiàn)洗手凝膠中的關(guān)鍵成分——Carbopol分子與液態(tài)金屬是“天造地設(shè)的一對”,它和液態(tài)金屬表面可以發(fā)生相互作用,在類似奶茶攪拌器的裝置高速攪拌后,使液態(tài)金屬形成微小的液滴堆積在一起,從而形成一種類似乳液的液態(tài)金屬墨水,它能夠從打印機的噴嘴中擠出,擠出后還能夠保持三維形狀,就好像奶油從裱花嘴中擠出。 液態(tài)金屬墨水制備工藝及形成原理
恰如奶油打發(fā)需要一定的配料,液態(tài)金屬墨水的配制絕非是把直接洗手凝膠與液態(tài)金屬混合那樣簡單。林澤文需要去調(diào)配自己最理想的“洗手凝膠”,凝膠與液態(tài)金屬要多少配比,需要進行多久的攪拌,在打印的過程中用多少的氣壓,用多大針頭,這些數(shù)據(jù)都要進行一次一次的實驗才可以確定。他說:“有了思路,就必須去做,做了可能會失敗,但是不做肯定不會成功?!?/p>
在后續(xù)實驗中,就像是幸運在敲門,林澤文更是驚喜地發(fā)現(xiàn)即使“洗手凝膠”是絕緣凝膠的,但是在通電情況下,讓液態(tài)金屬墨水依然可以保持高導(dǎo)電性。這一偶然的創(chuàng)新點發(fā)現(xiàn),讓林澤文萬分驚喜,當(dāng)時“連飯都不想吃了,只想趕緊去實驗室做實驗”。
林澤文也用自己的實驗與研究接住了這份幸運,在白華教授與胡曉蘭副教授的指導(dǎo)下,他作為第一作者,將有關(guān)液態(tài)金屬3D打印的相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然·通訊》上。
分工不同的科研“同事”
“好的課題是做出來的,學(xué)生們科研最好的靈感來源就是他們自己?!卑兹A教授與胡曉蘭副教授的團隊氛圍是寬松的,只要是在學(xué)術(shù)上、應(yīng)用上有價值的課題,白華都會鼓勵同學(xué)們勇敢去做,去嘗試,他覺得科學(xué)研究并非是學(xué)生在給老師“打工”,導(dǎo)師和學(xué)生其實是分工不同的科研“同事”,缺一不可。
白華會給予他的學(xué)生足夠多的空間去探索他們感興趣的有意思的課題,讓他們自主進行實驗與研究,以培養(yǎng)獨立解決問題從事研究事業(yè)的能力,希望“學(xué)生們在科研中真正學(xué)到方法,感受到樂趣”。而他則在合適的時候給出指導(dǎo),“導(dǎo)師,是會在學(xué)生獨立探索遇到困難時施以援手的人”。
白華指導(dǎo)學(xué)生分析電化學(xué)數(shù)據(jù)
林澤文在液態(tài)金屬3D打印上的所選擇的材料與混合方式基本都是由他自己實驗探索出來,而當(dāng)他被理論知識困住而無法解釋原理時,白華便多次與他交流,并送給他一本與砂漿泵送相關(guān)的書——《金屬礦膏體流變學(xué)》。“剛開始我很疑惑,砂漿泵與液態(tài)金屬有什么相關(guān)性?”在閱讀之后,他發(fā)現(xiàn)砂漿泵在性質(zhì)上可以類比液態(tài)金屬,也就不得不感嘆白老師早已指點了明路,只是在等著我自己去發(fā)現(xiàn)答案了?!绷譂晌恼f。
白華教授與胡曉蘭副教授的團隊主要研究高分子材料,他們主要使用有機材料去研究能源和傳感領(lǐng)域里的一些問題,用有機材料去做能量的轉(zhuǎn)化、存儲和傳感工作。
他們的研究方向除了液態(tài)金屬3D打印外,還有結(jié)構(gòu)儲能器件,也就是研究出一些具有強度的電池,使它在儲能給電動車供電以外,本身還可以進行結(jié)構(gòu)開發(fā),也就是做成汽車外殼或者底盤的樣子。也可以簡單說成以“用汽車的底盤或者外殼去儲存能量”。
未來,白華教授與胡曉蘭副教授的團隊依然會進行液態(tài)金屬3D打印方向的研究,圍繞此方向做的不斷的挖掘它的深度,進行研究的延續(xù)工作,探究制品的可重復(fù)性、穩(wěn)定性,嘗試同其他工業(yè)材料結(jié)合,推進其在實際產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。
來源:廈門大學(xué)
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