面向3D和4D打印的金属凝胶

以下文章来源于液态金属FM ，作者Sheng & OpenAI

4D打印指3D打印的结构能够响应外部刺激，随着时间的变化而改变形状。然而，目前的4D打印技术主要集中在电绝缘材料。虽然通过添加导电填料可以增加其导电性，但所需的填料含量很高将影响其打印性能。因此，在导电性和打印性之间存在着矛盾。近日，美国北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey团队提出一种可打印的金属凝胶（悬浮液），它由铜颗粒和液态铟镓合金（EGaIn）桥接而成。悬浮液依靠毛细力在固体颗粒之间形成网络，因此具有组成决定的流变学特性。除改变悬浮液的组成外，作者还通过调节pH促进液态金属的浸润来调节这种导电的固-液-液悬浮液的流变学特性，实现了在室温条件下打印出具有金属导电性和形状记忆效应的复合材料。打印得到的组件含有高达97.5 wt % 的金属成分，无需烧结便具有较高的电导率（1.05 × 105 S/m）。此外，在高温下干燥加速水分的移除，可以产生应力驱动打印组件形状变化。最后，作者展示了一个导电蜘蛛机器人，它可以从最初的平面形状抬起并组装自己的身体，并具有触摸感知的能力。相关工作以“Metallic gels for conductive 3D and 4D printing “为题发表在《Matter》上，并被Nature以“‘4D printed’ objects morph and flex thanks to a metallic ink”为题进行亮点报道。

图1.不同组成和pH下的Cu-EGaIn悬浮液。(A) Cu-EGaIn墨水制备示意图及在平坦Cu衬底上水(空气中)与EGaIn (0.1 M HCl溶液中)的接触角。 (B) Cu-EGaIn三元相图(pH值为1)的照片和形态示意图。钟摆网络的绿色部分用于金属凝胶打印。 (C) pH值对Cu-EGaIn三元体系宏观状态的影响。(D)干燥后Cu和EGaIn颗粒界面的电镜图像。比例尺，5mm。 (E)室温干燥样品的能量色散x射线能谱 (S = 0.806, φCu = 0.289)。比例尺，25毫米。 (F)不同组成的Cu-EGaIn悬浮液的屈服应力。

图2. 印刷过程中，剪切对齐 Cu-EGaIn颗粒。 (A) 在直接书写过程中的剪切诱导排列Cu-的EGaIn聚集体示意图及其后续对各向异性收缩率d的影响。 (B)打印的NCSU标志(S = 0.806, φCu = 0.289)。 (C)利用傅里叶分析量化取向：印刷细丝在0°处显示清晰的峰，与打印方向一致。 (D-F)打印细丝的典型显微镜图像显示，Cu-EGaIn聚集体沿打印方向有很强的取向。 (G) Cu油墨和Cu- EGaIn墨水剪切诱导各向异性收缩行为示意图。蓝色圆圈表示铜粒子，灰色圆圈表示铜粒子。(H) Cu- EGaIn墨水与Cu墨水的各向异性收缩特性比较。

图3.具有编程曲率的4d打印Cu-EGaIn结构。(A-D)设计，打印和干燥(80℃)的具有正(A)和负(B)高斯曲率的样品。Cu墨水呈各向同性收缩(无曲率)。而Cu-EGaIn墨水由于各向异性结构而呈现各种弯曲行为。4d打印的花具有卷曲(C)和扭曲(D)花瓣。(E)温度弯曲变形的影响。(F)温度梯度中的扭曲带的可编程变形。用节距与色带宽度之比(P/W)来表征扭力的大小。

图4. 4D打印制造的复杂导电蜘蛛机器人 (A)蜘蛛的结构表现出不同的形态：腿的正弯曲和负弯曲以及举起自己的身体。(B和C)打印路径(B)和打印后的Spiderbot (C)。(D-F)热驱动溶剂蒸发过程中的延时

。蜘蛛抬起自己(D)。溶剂pH (E)和EGaIn含量(F)对电导率的影响。(G)“蜘蛛机器人”导电性优异，在6V的电压下可以点亮两个LED“眼睛”。(H)一种以生物为灵感的坚韧传感器设计：一种高度可拉伸的EGaIn纤维充当“蜘蛛丝”， 它将机械应变信号传递给“神经系统”，即LED阵列。(I)通过单点触摸（上一排）和双点触摸（下一排）进行触摸传感。

论文信息：

Xing, R. et al. Metallic gels for conductive 3D and 4D printing. Matter 6, 2248-2262 (2023). https://doi.org:10.1016/j.matt.2023.06.015

转自：“i学术i科研”微信公众号

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