今天给大家带来的是一个刚刚被先进材料（AdvancedMaterials）杂志接收的工作，题目叫做《AcoustophoreticLiquefactionFor3DPrintingUltrahighViscosityNanoparticleSuspensions》，翻译过来就是《用于3D打印超高粘度纳米颗粒悬浮液的声泳液化技术》。这个工作的通讯作者是康奈尔大学的RobertF.Shepherd教授和脸书RealityLabs研究部门的ThomasJ.Wallin博士。
3D打印这几年十分火爆，尤其是基于聚合物光聚合反应的光固化3D成形技术（vatpolymerization），不时就会冒出一个Science/Nature级别的工作（图1），还有由此成立的创业公司：Carbon3D，Azul3D，其中Carbon3D已经成长为聚合物材料3D打印行业估值最高的公司。
图1.Science/Nature杂志报道过的光固化3D成形技术
光固化3D成形技术所使用的聚合物材料常因力学性能不佳而被诟病，虽然Carbon3D开发出了独有的双重固化（dual-cure）技术，极大地丰富了材料的品类，提升了性能，但距离很多实际应用的需求仍有差距。
对聚合物类型的材料而言，使用纳米颗粒进行填充，进而极大地提升材料的力学、电学、耐热、抗腐蚀等一系列性能，是早已被广泛应用的常规操作。比如橡胶材料，未填充的橡胶材料通常较为柔软，可以拿来制作避孕套和橡皮筋，而纳米颗粒高度填充的橡胶材料就成了黑又硬的轮胎（图2）。
图2.橡胶材料的性能随纳米颗粒填充发生明显变化
但使用纳米颗粒填充聚合物材料也会带来一系列其它变化，最明显的就是粘度增加，而粘度增加会给光固化3D成形技术带来一系列不利影响。光固化3D打印过程通常依赖液体树脂的流动，粘度增加会导致流动困难；液体树脂会附着在光固化的部分，粘度增加后清洗将变得困难；高粘度液体树脂还会导致过曝问题，也会增加成型台向上移动时对曝光窗口的牵引力，更易造成曝光窗口损坏。这一系列问题导致现有的光固化3D打印材料无法使用纳米颗粒增强。
这正是本工作的创新和突破点。作者利用声泳液化技术，成功将光固化3D打印应用于纳米二氧化硅颗粒填充重量比高达23%的有机硅光聚合物。加入如此高含量纳米颗粒后，树脂的表观粘度已经接近传统光固化3D打印树脂的倍，但由此带来的收益也非常明显，3D打印得到的材料拉伸韧性是未填充的有机硅光聚合物的20倍，断裂强度也提升到了10倍以上。
那作者是如何做到的呢？这个声泳液化技术具体是什么？简单说，声泳就是利用声波作为驱动来移动粒子，进而产生局部的剪切应力。大家比较熟悉电泳技术，就是利用电场驱动带电粒子进行定向移动。至于液化，则是因为含有大量纳米颗粒填充的聚合物树脂会在剪切应力下出现粘度降低的现象，就像我们日常用的牙膏，只有用力挤才会流动起来。作者在传统的光固化3D打印机上加装了一些表面变频器（surfacetransducer），就得到了最终的声泳液化技术驱动的光固化3D打印机（图3）。
图3.利用声泳液化技术的光固化3D打印装置的示意图和实物图
为了验证声泳液化技术的有效性，作者选择了大量纳米颗粒填充的有机硅树脂，因为这些纳米二氧化硅颗粒具有二级和三级团聚结构，所以造成树脂的粘度急剧增加，传统光固化3D打印已无法完成。
在开始声泳液化技术支持的光固化3D打印前，作者改变纳米颗粒填充比，制备了一系列树脂，并对所得树脂的流变性质和光学性质进行了表征。在此基础上，作者依据材料的断裂强度和粘度计算得到了最大打印曝光面积（图4）。结果表明，利用声泳液化技术后，由于粘度下降，树脂流动性加快，成型台与曝光窗口的粘附力降低，整体打印速度可以得到很大提升，几乎可以与之前报道的液体界面连续打印（CLIP）技术相媲美。
图4.不同树脂对应的最大打印曝光面积的计算方法
进一步的，作者研究了表面变频器放置的位置对于声泳液化技术的影响，并通过比较得到了最佳驱动频率。在此基础上，作者比较了传统DLP类型和声泳液化技术支持的光固化3D打印效果（图5）。结果表明，声泳液化技术可以极大地改善打印精度，尤其针对表面凹陷的结构，而且打印复杂的3D结构时，能够更准确地保持设计形状，避免因为过度曝光（over-curing）和树脂流动不佳而造成的不均匀变形。
图5.利用声泳液化技术的光固化3D打印不同结构的打印精度
综上，利用声泳液化技术可以克服粘度增高带来的一系列挑战，成功实现大量纳米颗粒填充的高粘树脂的光固化3D打印。除了纳米颗粒填充带来的材料力学性能的提升，声泳液化技术还能加快打印速度，提高打印精度，而且实现起来相对简单，因此具有非常诱人的前景。
如果证实声泳液化技术可以兼容其它快速光固化3D打印技术，如Carbon3D的CLIP，清锋科技的LEAP，且适用于其它常用的纳米颗粒，如炭黑、碳纤维、碳纳米管，这一技术将极大地改变现有光固化3D打印树脂的设计，有望革新现有的3D打印市场。