制作高強度卻又具有優(yōu)異變形承載能力的輕質(zhì)材料是不少科學(xué)家長久以來的夢想，但這些機械特性通常是相互排斥、難以共存。

近日，香港城市大學(xué)（城大）研究人員便成功發(fā)明了一種低成本及易于操作的嶄新方法，可以把常用的3D打印聚合物，轉(zhuǎn)化為輕量、超堅韌及生物相容的“復(fù)合碳微點陣”（hybrid carbon microlattice）材料。這種新材料較一般聚合物強100倍，而且可以制作成任何形狀及大小。

研究團隊相信，這創(chuàng)新方法可應(yīng)用于制作具備特定機械性能的精密零件，例如適用于制作精細的冠狀動脈支架及醫(yī)療用的人體植入物，應(yīng)用前景廣闊。

城大科研團隊開發(fā)了一種低成本及簡便的方法來制造具生物相容性的精密3D架構(gòu)復(fù)合碳材料。這種復(fù)合碳材料重量輕、強度高、 並兼具伸延性，故此能夠變形，適應(yīng)任何大小和形狀。（圖片來源：Surjadi, James et al., / doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010）

超材料（metamaterials）是指透過人工設(shè)計、從而擁有天然材料中沒有的特性的特殊材料。其中，3D立體結(jié)構(gòu)的微點陣超材料，便既有輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點，又同時維持其組成材料的固有特性。要制作這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微點陣超材料，通常要先進精密的生產(chǎn)技術(shù)例如“積層制造”，即俗稱的3D打印技術(shù)，但目前可用于高精密度3D打印的材料卻極為有限。

負責(zé)帶領(lǐng)這項研究的城大機械工程學(xué)系和材料科學(xué)及工程學(xué)系的陸洋教授說：“3D打印正逐漸成為常用技術(shù)，用作制造具有獨特和可調(diào)校特性而又幾何構(gòu)造復(fù)雜的組件。不過，堅固而強韌的架構(gòu)組件，通常需要使用金屬或合金進行3D打印，惟商用的金屬3D打印機和其原材料成本高昂，且精度有限，較難廣泛應(yīng)用。

聚合物相對廉價，但缺點是它在機械性能上通常缺乏強度或韌性。可喜的是，我們找到了一種嶄新的方法，只需在適當(dāng)?shù)臈l件下加熱，就可以將這些可精密3D打印的光固化聚合物，轉(zhuǎn)化成可與金屬和合金媲美的超堅韌3D結(jié)構(gòu)?！?/p>

既能提升材料強度又不犧牲延展性的新方法

一直以來，提高3D打印聚合物強度的最有效方法是“熱解“（pyrolysis），其原理是透過熱處理，把聚合物加熱及轉(zhuǎn)化為堅硬的純碳材料。然而，這個過程會令被加熱的聚合物失去了幾乎所有原有的變形能力，結(jié)果制造出像玻璃一樣高強、高剛度但極脆的材料；而其他增加聚合物強度的方法，則通常會導(dǎo)致它們的延展性受損，同樣限制了材料的應(yīng)用。

香港城大的研究團隊近日便研究出一種神奇的熱解新方法。團隊通過仔細控制加熱速率、溫度、持續(xù)時間和氣體環(huán)境，只需一步即可大幅度地提高光固化3D打印聚合物微點陣的剛度、強度和延展性。新加熱方法成功把聚合物轉(zhuǎn)化為超強韌的三維結(jié)構(gòu)，強度提高了100倍，塑性也提高了一倍以上。這一發(fā)現(xiàn)完全打破了科學(xué)界對熱解材料的傳統(tǒng)看法，對輕質(zhì)、強韌且易于使用的機械超材料的開發(fā)將產(chǎn)生深遠的影響。香港城大團隊的研究成果已于科學(xué)雜志《Matter》上發(fā)表，標題為〈Lightweight, Ultra-tough 3D Architected Hybrid Carbon Microlattices〉。

城大團隊以“復(fù)合碳”微點陣材料3D打印而成的冠狀動脈支架樣本。（圖片來源：Surjadi, James et al., / doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010）

在實驗過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)聚合物鏈通過緩慢加熱達至“部分碳化”時，才能同時提高強度和延展性。在這種情況下，聚合物鏈不會完全轉(zhuǎn)化為熱解碳，遂產(chǎn)生一種混合材料“復(fù)合碳微點陣”。這超材料內(nèi)部有松散交織的聚合物鏈和碳碎片協(xié)同共存，其中碳碎片成為了強化物料的增強劑，聚合物鏈則可防止復(fù)合材料碎片的斷裂。

研究亦顯示，若要獲得最佳的強度及延展性，聚合物與碳碎片的比例至關(guān)重要。因為假若碳碎片太多，材料就會變得過脆；如果碳碎片太少，材料就會缺乏強度。在實驗過程中，團隊成功創(chuàng)造了一種經(jīng)過最適度優(yōu)化的碳化聚合物微點陣，若與原始聚合物微點陣相比，其強度大幅提高了100倍以上，延展性也增加了一倍以上。

機械性能以外的提升

除了卓越的機械性能之外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)這些“復(fù)合碳”微點陣與原始的聚合物相比，具有更優(yōu)秀的生物相容性。通過細胞毒性和細胞行為監(jiān)測實驗，他們證明了在復(fù)合碳微點陣材料上培養(yǎng)的細胞，比在聚合物微點陣上培養(yǎng)的細胞擁有更佳的存活能力。這意味著，部分碳化的復(fù)合碳點陣材料的優(yōu)勢，可能并非局限于機械性能，而是同時擁有應(yīng)用于其他多功能領(lǐng)域的潛力。

陸洋教授（右）和James Utama Surjadi博士（左）。（圖片來源：香港城市大學(xué)陸洋教授）

陸教授補充說︰“我們提供了一種低成本、簡單且可擴展的途徑，去制造幾乎任何形狀的輕質(zhì)、堅固和可延展的機械超材料。”他相信，這嶄新方法可應(yīng)用于其他種類的功能性聚合物，而這些復(fù)合熱解碳超材料在幾何結(jié)構(gòu)上的靈活性，令它們可以按不同應(yīng)用場景需要而度身訂制其機械性能，能夠應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)支架、微型無人飛行器、能量收集和儲存設(shè)備等不同范疇。

制作高強度卻又具有優(yōu)異變形承載能力的輕質(zhì)材料是不少科學(xué)家長久以來的夢想，但這些機械特性通常是相互排斥、難以共存。

近日，香港城市大學(xué)（城大）研究人員便成功發(fā)明了一種低成本及易于操作的嶄新方法，可以把常用的3D打印聚合物，轉(zhuǎn)化為輕量、超堅韌及生物相容的“復(fù)合碳微點陣”（hybrid carbon microlattice）材料。這種新材料較一般聚合物強100倍，而且可以制作成任何形狀及大小。

研究團隊相信，這創(chuàng)新方法可應(yīng)用于制作具備特定機械性能的精密零件，例如適用于制作精細的冠狀動脈支架及醫(yī)療用的人體植入物，應(yīng)用前景廣闊。

城大科研團隊開發(fā)了一種低成本及簡便的方法來制造具生物相容性的精密3D架構(gòu)復(fù)合碳材料。這種復(fù)合碳材料重量輕、強度高、 並兼具伸延性，故此能夠變形，適應(yīng)任何大小和形狀。（圖片來源：Surjadi, James et al., / doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010）

超材料（metamaterials）是指透過人工設(shè)計、從而擁有天然材料中沒有的特性的特殊材料。其中，3D立體結(jié)構(gòu)的微點陣超材料，便既有輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點，又同時維持其組成材料的固有特性。要制作這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微點陣超材料，通常要先進精密的生產(chǎn)技術(shù)例如“積層制造”，即俗稱的3D打印技術(shù)，但目前可用于高精密度3D打印的材料卻極為有限。

負責(zé)帶領(lǐng)這項研究的城大機械工程學(xué)系和材料科學(xué)及工程學(xué)系的陸洋教授說：“3D打印正逐漸成為常用技術(shù)，用作制造具有獨特和可調(diào)校特性而又幾何構(gòu)造復(fù)雜的組件。不過，堅固而強韌的架構(gòu)組件，通常需要使用金屬或合金進行3D打印，惟商用的金屬3D打印機和其原材料成本高昂，且精度有限，較難廣泛應(yīng)用。

聚合物相對廉價，但缺點是它在機械性能上通常缺乏強度或韌性。可喜的是，我們找到了一種嶄新的方法，只需在適當(dāng)?shù)臈l件下加熱，就可以將這些可精密3D打印的光固化聚合物，轉(zhuǎn)化成可與金屬和合金媲美的超堅韌3D結(jié)構(gòu)?！?/p>

既能提升材料強度又不犧牲延展性的新方法

一直以來，提高3D打印聚合物強度的最有效方法是“熱解“（pyrolysis），其原理是透過熱處理，把聚合物加熱及轉(zhuǎn)化為堅硬的純碳材料。然而，這個過程會令被加熱的聚合物失去了幾乎所有原有的變形能力，結(jié)果制造出像玻璃一樣高強、高剛度但極脆的材料；而其他增加聚合物強度的方法，則通常會導(dǎo)致它們的延展性受損，同樣限制了材料的應(yīng)用。

香港城大的研究團隊近日便研究出一種神奇的熱解新方法。團隊通過仔細控制加熱速率、溫度、持續(xù)時間和氣體環(huán)境，只需一步即可大幅度地提高光固化3D打印聚合物微點陣的剛度、強度和延展性。新加熱方法成功把聚合物轉(zhuǎn)化為超強韌的三維結(jié)構(gòu)，強度提高了100倍，塑性也提高了一倍以上。這一發(fā)現(xiàn)完全打破了科學(xué)界對熱解材料的傳統(tǒng)看法，對輕質(zhì)、強韌且易于使用的機械超材料的開發(fā)將產(chǎn)生深遠的影響。香港城大團隊的研究成果已于科學(xué)雜志《Matter》上發(fā)表，標題為〈Lightweight, Ultra-tough 3D Architected Hybrid Carbon Microlattices〉。

城大團隊以“復(fù)合碳”微點陣材料3D打印而成的冠狀動脈支架樣本。（圖片來源：Surjadi, James et al., / doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010）

在實驗過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)聚合物鏈通過緩慢加熱達至“部分碳化”時，才能同時提高強度和延展性。在這種情況下，聚合物鏈不會完全轉(zhuǎn)化為熱解碳，遂產(chǎn)生一種混合材料“復(fù)合碳微點陣”。這超材料內(nèi)部有松散交織的聚合物鏈和碳碎片協(xié)同共存，其中碳碎片成為了強化物料的增強劑，聚合物鏈則可防止復(fù)合材料碎片的斷裂。

研究亦顯示，若要獲得最佳的強度及延展性，聚合物與碳碎片的比例至關(guān)重要。因為假若碳碎片太多，材料就會變得過脆；如果碳碎片太少，材料就會缺乏強度。在實驗過程中，團隊成功創(chuàng)造了一種經(jīng)過最適度優(yōu)化的碳化聚合物微點陣，若與原始聚合物微點陣相比，其強度大幅提高了100倍以上，延展性也增加了一倍以上。

機械性能以外的提升

除了卓越的機械性能之外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)這些“復(fù)合碳”微點陣與原始的聚合物相比，具有更優(yōu)秀的生物相容性。通過細胞毒性和細胞行為監(jiān)測實驗，他們證明了在復(fù)合碳微點陣材料上培養(yǎng)的細胞，比在聚合物微點陣上培養(yǎng)的細胞擁有更佳的存活能力。這意味著，部分碳化的復(fù)合碳點陣材料的優(yōu)勢，可能并非局限于機械性能，而是同時擁有應(yīng)用于其他多功能領(lǐng)域的潛力。

陸洋教授（右）和James Utama Surjadi博士（左）。（圖片來源：香港城市大學(xué)陸洋教授）

陸教授補充說︰“我們提供了一種低成本、簡單且可擴展的途徑，去制造幾乎任何形狀的輕質(zhì)、堅固和可延展的機械超材料。”他相信，這嶄新方法可應(yīng)用于其他種類的功能性聚合物，而這些復(fù)合熱解碳超材料在幾何結(jié)構(gòu)上的靈活性，令它們可以按不同應(yīng)用場景需要而度身訂制其機械性能，能夠應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)支架、微型無人飛行器、能量收集和儲存設(shè)備等不同范疇。