研究背景
隨著三維（3D）打印技術的迅猛發展，其在制造業中的應用日益廣泛，尤其是其在訪問幾何復雜定制產品方面所展示的卓越自由度引起了人們的關注。然而，盡管其潛力巨大，但目前面臨著制造效率低和產品質量不足的挑戰。具體而言，傳統的光敏聚合物在快速打印過程中常常犧牲了材料的機械性能，這主要是由于需要快速光固化以實現高效率的數字光處理（DLP）打印，而這種快速固化限制了分子設計的自由度，從而影響了材料的最終強度和耐久性。為了解決這一問題，浙江大學謝濤教授、吳晶軍研究員團隊在“Nature”期刊上發表了題為“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness”的最新論文。他們致力于開發新的化學策略，旨在通過動態共價鍵的引入，實現光固化材料的高機械性能。這種策略的核心在于設計一種含有動態阻礙尿素和側鏈羧基的二甲基丙烯酸二酯DLP前體，通過精確的分子設計和化學合成，使得材料在快速光固化的同時，能夠形成復雜的分子結構，包括分級氫鍵和微相分離結構。這些結構特征不僅提高了材料的機械強度，還增強了其韌性和耐久性，使其拉伸強度達到94.6 MPa，韌性達到310.4 MJ m-3，遠遠超過了傳統3D打印材料的性能。
科學亮點
（1）實驗首次采用動態共價鍵化學設計，在3D打印中成功制備出具有卓越機械性能的彈性體。通過將動態阻礙尿素和側鏈羧基引入二甲基丙烯酸二酯DLP前體的主鏈，實現了網絡拓撲的動態重配置。（2）實驗結果顯示，所制備的彈性體具有顯著的拉伸強度（94.6 MPa）和韌性（310.4 MJ m-3），遠超過目前任何3D打印彈性體的性能。這一成就歸因于形成的分級氫鍵（特別是酰胺氫鍵）、微相分離和相互滲透結構的協同作用，這些機制顯著提升了材料的機械性能。（3）該研究克服了傳統光固化3D打印中分子設計自由度受限的問題，為使用3D打印進行大規模制造開辟了新的可能性，展示了動態共價化學在解決打印特性與材料性能沖突方面的潛力。
圖文解讀
科學啟迪
本文通過動態共價鍵化學設計，克服了傳統光固化3D打印中分子設計自由度受限的難題，成功制備出具有卓越機械性能的彈性體。這一研究展示了在快速光聚合條件下，如何利用動態阻礙尿素和側鏈羧基等功能基團，實現網絡結構的動態重配置。通過分級氫鍵的形成、微相分離和相互滲透結構的建立，顯著提升了材料的拉伸強度和韌性，遠超過傳統打印材料的性能表現。這種成功不僅解決了現有材料在3D打印中機械性能與打印特性之間的矛盾，也為未來在汽車、建筑、微流體學、軟體機器人等領域的應用提供了新的材料范例。 Fang, Z., Mu, H., Sun, Z. et al. 3D printable elastomers with exceptional strength and toughness. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07588-6
