如何將原本流動(dòng)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(tuán)隊(duì)的研究取得重要進(jìn)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(shí)，首次實(shí)現(xiàn)通過施加電場(chǎng)來激活油墨導(dǎo)電，并最終實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬在多種復(fù)雜場(chǎng)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(jī)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(dòng)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(shí)現(xiàn)“1+1＞2”的效果，是白華教授團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(dòng)，而成為相對(duì)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(yùn)”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(gè)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(shí)，發(fā)現(xiàn)洗手凝膠會(huì)在使用時(shí)消失，便決定嘗試將它與液態(tài)金屬相結(jié)合，看一看會(huì)發(fā)生什么作用。

他幸運(yùn)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(duì)”，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(jī)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(jiǎn)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(jìn)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(jìn)行一次一次的實(shí)驗(yàn)才可以確定。他說：“有了思路，就必須去做，做了可能會(huì)失敗，但是不做肯定不會(huì)成功?！?/p>

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，就像是幸運(yùn)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(diǎn)發(fā)現(xiàn)，讓林澤文萬分驚喜，當(dāng)時(shí)“連飯都不想吃了，只想趕緊去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)”。

林澤文也用自己的實(shí)驗(yàn)與研究接住了這份幸運(yùn)，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(tuán)隊(duì)氛圍是寬松的，只要是在學(xué)術(shù)上、應(yīng)用上有價(jià)值的課題，白華都會(huì)鼓勵(lì)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(shí)是分工不同的科研“同事”，缺一不可。

白華會(huì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)與研究，以培養(yǎng)獨(dú)立解決問題從事研究事業(yè)的能力，希望“學(xué)生們?cè)诳蒲兄姓嬲龑W(xué)到方法，感受到樂趣”。而他則在合適的時(shí)候給出指導(dǎo)，“導(dǎo)師，是會(huì)在學(xué)生獨(dú)立探索遇到困難時(shí)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(shí)驗(yàn)探索出來，而當(dāng)他被理論知識(shí)困住而無法解釋原理時(shí)，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)》?！皠傞_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(diǎn)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(tuán)隊(duì)主要研究高分子材料，他們主要使用有機(jī)材料去研究能源和傳感領(lǐng)域里的一些問題，用有機(jī)材料去做能量的轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)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(chǔ)能器件，也就是研究出一些具有強(qiáng)度的電池，使它在儲(chǔ)能給電動(dòng)車供電以外，本身還可以進(jìn)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(jiǎn)單說成以“用汽車的底盤或者外殼去儲(chǔ)存能量”。

未來，白華教授與胡曉蘭副教授的團(tuán)隊(duì)依然會(huì)進(jìn)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(jìn)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(jìn)其在實(shí)際產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。

來源：廈門大學(xué)

如何將原本流動(dòng)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(tuán)隊(duì)的研究取得重要進(jìn)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(shí)，首次實(shí)現(xiàn)通過施加電場(chǎng)來激活油墨導(dǎo)電，并最終實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬在多種復(fù)雜場(chǎng)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(jī)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(dòng)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(shí)現(xiàn)“1+1＞2”的效果，是白華教授團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(dòng)，而成為相對(duì)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(yùn)”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(gè)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(shí)，發(fā)現(xiàn)洗手凝膠會(huì)在使用時(shí)消失，便決定嘗試將它與液態(tài)金屬相結(jié)合，看一看會(huì)發(fā)生什么作用。

他幸運(yùn)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(duì)”，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(jī)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(jiǎn)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(jìn)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(jìn)行一次一次的實(shí)驗(yàn)才可以確定。他說：“有了思路，就必須去做，做了可能會(huì)失敗，但是不做肯定不會(huì)成功?！?/p>

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，就像是幸運(yùn)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(diǎn)發(fā)現(xiàn)，讓林澤文萬分驚喜，當(dāng)時(shí)“連飯都不想吃了，只想趕緊去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)”。

林澤文也用自己的實(shí)驗(yàn)與研究接住了這份幸運(yùn)，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(tuán)隊(duì)氛圍是寬松的，只要是在學(xué)術(shù)上、應(yīng)用上有價(jià)值的課題，白華都會(huì)鼓勵(lì)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(shí)是分工不同的科研“同事”，缺一不可。

白華會(huì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)與研究，以培養(yǎng)獨(dú)立解決問題從事研究事業(yè)的能力，希望“學(xué)生們?cè)诳蒲兄姓嬲龑W(xué)到方法，感受到樂趣”。而他則在合適的時(shí)候給出指導(dǎo)，“導(dǎo)師，是會(huì)在學(xué)生獨(dú)立探索遇到困難時(shí)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(shí)驗(yàn)探索出來，而當(dāng)他被理論知識(shí)困住而無法解釋原理時(shí)，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)》?！皠傞_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(diǎn)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(tuán)隊(duì)主要研究高分子材料，他們主要使用有機(jī)材料去研究能源和傳感領(lǐng)域里的一些問題，用有機(jī)材料去做能量的轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)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(chǔ)能器件，也就是研究出一些具有強(qiáng)度的電池，使它在儲(chǔ)能給電動(dòng)車供電以外，本身還可以進(jìn)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(jiǎn)單說成以“用汽車的底盤或者外殼去儲(chǔ)存能量”。

未來，白華教授與胡曉蘭副教授的團(tuán)隊(duì)依然會(huì)進(jìn)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(jìn)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(jìn)其在實(shí)際產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。

來源：廈門大學(xué)