Nature子刊：正交光化學(xué)輔助打印韌性導(dǎo)電水凝膠

來源：EngineeringForLife

TCHs（韌性導(dǎo)電水凝膠）具有優(yōu)異的電導(dǎo)性和機(jī)械性能，該水凝膠中的多網(wǎng)絡(luò)使其具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，并能通過不同的耗散機(jī)制有效消耗機(jī)械能量。但TCHs固有的多網(wǎng)絡(luò)對比性、導(dǎo)電成分的不可控性和聚合速度慢等特點(diǎn)，導(dǎo)致利用3D打印技術(shù)對其進(jìn)行的制造很具挑戰(zhàn)性。近期，來自西北大學(xué)的YouYu團(tuán)隊(duì)在Nature Communications雜志上發(fā)表了題為“Orthogonal photochemistry-assisted printing of 3D tough and stretchable conductive hydrogels”的文章，該研究開發(fā)了一種正交光化學(xué)輔助打印策略，該策略利用合理的光化學(xué)設(shè)計(jì)和可靠的擠出式打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了TCHs三維制造。

研究人員首先制備了TCHs，并通過FT-IR（傅里葉變換紅外光譜）觀測了導(dǎo)電聚合物前體聚合反應(yīng)的產(chǎn)率，隨后對TCHs進(jìn)行了彈性和粘度的流變學(xué)測試。

圖1 TCHs的設(shè)計(jì)構(gòu)建

為研究各種成分對TCHs的影響，研究人員通過一系列實(shí)驗(yàn)證明了PVA-Ph（酪胺改性聚乙烯醇）、EDOT單體、三聯(lián)吡啶氯化釕六水合物（Ru（II））和過硫酸銨（APS）對于TCHs的正交光化學(xué)輔助打印策略是必需的。

圖2 不同成分性質(zhì)對TCHs形成的影響

其次，通過拉伸、壓縮和導(dǎo)電性能的一系列測試，研究人員得到了TCHs制備條件對其力學(xué)性能、韌性和電導(dǎo)率的影響。

圖3 TCHs的力學(xué)性能和電導(dǎo)率試驗(yàn)

可控的正交光化學(xué)輔助打印策略是一個典型的光化學(xué)過程，可與擠出式3D打印技術(shù)兼容，通過選擇合適尺寸的噴嘴或調(diào)整模型打印參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)打印精度的優(yōu)化。所打印的TCHs網(wǎng)格具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可在剝離、拉伸后恢復(fù)原態(tài)。這表明3D打印的TCHs在高性能柔性傳感器和電子產(chǎn)品中具有潛在的應(yīng)用前景。

圖4 擠壓式3D打印打TCHs

最后，研究人員使用正交光化學(xué)輔助打印策略制造了一個仿生“海參”類傳感器，該傳感器安裝有壓力傳感器和溫度響應(yīng)型執(zhí)行器，可用以響應(yīng)外部壓力及檢測輕微的運(yùn)動。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TCHs在不同溫度下，電導(dǎo)率發(fā)生明顯變化，對環(huán)境壓力和溫度具有很高的響應(yīng)性。

圖5 TCHs組裝到柔性設(shè)備上的表征

綜上所述，正交光化學(xué)輔助打印策略易于兼容擠出式3D打印技術(shù)，可用于在任意基板上制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所打印的水凝膠結(jié)構(gòu)具有良好的導(dǎo)電性、韌性和抗凍性。正交光化學(xué)輔助打印策略為硬質(zhì)材料的研究開辟了新的途徑，并簡化了高精度復(fù)雜水凝膠結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。正交光化學(xué)輔助打印方法和合成的TCHs在生物和材料科學(xué)中具有巨大的應(yīng)用潛力。