Matter首批論文上線：3D打印“穿針引線”成就電子織物

來源： Cell Press

提到“可穿戴設(shè)備”，你首先想到的大概是智能手表、google眼鏡等，但你能想象某天，我們身上穿的衣服就是一件“可穿戴設(shè)備”嗎？據(jù)了解，清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩副教授的團(tuán)隊(duì)正在將這種類似于科幻的場(chǎng)景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)：通過將自行設(shè)計(jì)的同軸噴絲頭集成到3D打印機(jī)上，在織物上實(shí)現(xiàn)了功能性皮芯結(jié)構(gòu)纖維的直接打印，可靈活制作各種個(gè)性化功能圖案，還能通過這些智能圖案進(jìn)行能量的收集和存儲(chǔ)。該研究成果于3月27日發(fā)表于CellPress細(xì)胞出版社旗下材料旗艦新期刊Matter上。

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針對(duì)該論文的主要亮點(diǎn)等，Cell Press邀請(qǐng)張瑩瑩副教授接受了專訪。

“我們對(duì)直寫式3D打印機(jī)進(jìn)行了改裝，運(yùn)用同軸噴絲頭實(shí)現(xiàn)了在織物上直接打印同軸皮芯導(dǎo)電纖維，并展示了所打印圖案在能源管理方面的應(yīng)用�！鼻迦A大學(xué)化學(xué)系副教授張瑩瑩介紹說， “常見的3D打印機(jī)的單軸噴絲頭每次只能打印一種墨水，這極大地限制了打印組分的多樣性，也限制了對(duì)所打印圖案功能的設(shè)計(jì)�！�

為了進(jìn)行概念驗(yàn)證，張瑩瑩副教授團(tuán)隊(duì)用如下兩種墨水展示了電子織物的3D打印制作：利用碳納米管溶液（CNT ink）用于制作纖維導(dǎo)電芯層，利用蠶絲蛋白溶液（silk fibroin ink）用于制作纖維介電皮層（當(dāng)然也可以根據(jù)對(duì)柔性、生物兼容性、耐水性等方面的需求，靈活選用其他的墨水組合）。蠶絲蛋白和碳納米管墨水通過注射泵連接在裝有同軸噴絲頭的3D打印機(jī)上，兩種打印墨水同時(shí)被擠出并直接在織物基底上形成皮芯結(jié)構(gòu)纖維構(gòu)成的各種個(gè)性化定制圖案。用這種方式，他們打印了漢字“打印”、英文字母“silk”和一只美麗的和平鴿。

有別于常見的將生產(chǎn)好的電子纖維編織到織物中的方法，該打印方法在制備電子纖維的同時(shí)完成了其在織物上的集成，極大地提高了電子織物的生產(chǎn)效率。這種打印技術(shù)可通過選擇多種墨水組合，將不同的功能單元一次性集成在織物中（類似于彩色打印機(jī)中裝有不同顏色的墨水），為穿戴電子的集成提供了便捷的可規(guī)�；�的途徑。當(dāng)然這種方法打印的分辨率將受限于3D打印機(jī)的機(jī)械移動(dòng)精度和噴嘴的尺寸。

“未來還可以在3D打印機(jī)上加裝多軸噴絲頭或者具有其他新功能的噴絲頭，為3D打印結(jié)構(gòu)帶來更加靈活豐富的組分搭配可能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多功能電子織物的高效制備�！睆埇摤摳苯淌谡f。

關(guān)于張瑩瑩副教授

張瑩瑩副教授2002年于山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院獲得博士學(xué)位。2007-2008年就職于強(qiáng)生全球創(chuàng)新研究中心（上海），2008-2011年在美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。2011年加入清華大學(xué)，現(xiàn)任化學(xué)系副教授、博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域?yàn)榧{米碳材料的可控制備及其柔性可穿戴期間研究，以及功能蠶絲的設(shè)計(jì)、制備及其柔性可穿戴器件研究。
專訪

使衣物變身“可穿戴設(shè)備”可謂腦洞大開的想法，是什么最初促使您的團(tuán)隊(duì)開展相關(guān)研究？
張瑩瑩副教授：柔性可穿戴領(lǐng)域是一個(gè)新興的、多學(xué)科交叉的領(lǐng)域。我對(duì)柔性可穿戴技術(shù)的興趣源于10年前在美國做博士后時(shí)，后來開始獨(dú)立科研工作，我的課題組便致力于柔性可穿戴材料與器件的研究。提到“可穿戴”電子，最理想的載體莫過于衣物，因此，使衣物變身可穿戴設(shè)備也就自然而然引發(fā)了包括我們?cè)趦?nèi)的同行科研團(tuán)隊(duì)的興趣。

您認(rèn)為使用3D打印技術(shù)“打印”電子紡織品的難點(diǎn)主要有哪些？您的團(tuán)隊(duì)是如何攻克的？
張瑩瑩副教授：在初期階段，通過設(shè)計(jì)適用于3D打印的材料實(shí)現(xiàn)電子紡織品的直接打印是最關(guān)鍵的一步。在實(shí)現(xiàn)所需功能的基礎(chǔ)上，還要考慮墨水的組分、可打印性、安全性、穩(wěn)定性等基本問題。在本工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了同軸噴絲頭并將其集成到3D打印機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了在織物上進(jìn)行功能性皮芯結(jié)構(gòu)纖維和智能電子器件的直接打印。通過設(shè)計(jì)化學(xué)組分、調(diào)控流變性能，我們制備了絲素蛋白和碳納米管兩種可用于3D打印的墨水，并實(shí)現(xiàn)了絲素蛋白-碳納米管皮芯結(jié)構(gòu)纖維在織物上的直接打印成型。


您認(rèn)為此次研究取得的最具突破性的成果是？
張瑩瑩副教授：在本工作中，我們首次實(shí)現(xiàn)了皮芯結(jié)構(gòu)纖維在織物上的直接打印，并通過制作蠶絲能源管理織物進(jìn)行了展示。


人們對(duì)于衣物的要求包括舒適、美觀及功能性等，您覺得采用3D打印技術(shù)制作出的電子紡織品可以同時(shí)滿足人們的這些需求嗎？
張瑩瑩副教授：是的。本工作中所制作的蠶絲智能織物可以滿足上述需求。

您認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化前景如何？經(jīng)濟(jì)性如何？
張瑩瑩副教授：考慮到較低的材料和設(shè)備成本，該技術(shù)具有良好的商業(yè)化前景，特別是在個(gè)性化可穿戴電子的制備中會(huì)有突出優(yōu)勢(shì)。



能否透露下您團(tuán)隊(duì)的下一步研究計(jì)劃。
張瑩瑩副教授：我們將繼續(xù)致力于新型柔性可穿戴材料、器件和制備技術(shù)的研究，特別是與蠶絲和納米碳材料相關(guān)的研究。近期計(jì)劃開發(fā)更加豐富多樣的可穿戴傳感功能，并發(fā)展便捷的可穿戴電子集成技術(shù)。

來源： Cell Press