DeepTech深科技▲从0到1的突破！麻省理工团队实现导电聚合物的“升维”制造 3D打印早已火遍全球。相较于传统的制造

3D打印早已火遍全球。相较于传统的制造工艺， 3D打印能够轻松实现器件结构更高的精度和复杂度。但除了关注器件的结构，如何让材料本身在3D打印加工过程中保留独特的材料特性，成为一个有“灵魂”的器件，也是一大重点研究方向。
近日，麻省理工学院机械工程系教授赵选贺领导的团队成功将原本是液体状的导电聚合物制成牙膏状的3D打印原材料，在实现通过3D打印加工的同时，保留了材料原本的导电性能。

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赵选贺告诉DeepTech ，该研究的最大突破就是提出了对导电聚合物的全新加工制造方法，实现了对导电聚合物的3D打印。此外，这种加工方式较以往的导电聚合物加工方式，在精度上有明显提升，同时在制造成本和加工时间上则减少了几个数量级。
3月30日，这一成果发表在了《自然通讯》上。
导电“液体”做成导电“牙膏”
【DeepTech深科技▲从0到1的突破！麻省理工团队实现导电聚合物的“升维”制造】导电聚合物(Conductingpolymers)是近年来获得众多学者关注的材料，在柔韧性上与塑料相当，同时还有和金属相似的导电性能。这种独特的材料性能让导电聚合物有着很广泛的应用场景，但目前这一材料在加工制造环节有很明显的瓶颈。
团队表示，这些导电聚合物可以较为轻易地作为涂料均匀喷涂在触摸屏表面。但现有的制造工艺难以实现高精度大面积的二维图案，通过3D打印制造复杂三维结构更是从未实现过。
如果开发出能够进行3D打印的导电聚合物，将可以利用这种材料进行大量印刷柔性、形状结构多样的电子器件，例如柔性电路和在脑机接口中使用的神经电极等。

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图|打印而成的器件保留了导电性
据介绍，现有针对导电聚合物的加工技术包括：电子束蚀刻（electronbeamlithography）、喷墨打印以及类似丝网印刷的方式。
这些方法都存在局限性：喷墨打印和丝网印刷只能得到较低精度的二维导电聚合物器件；电子束蚀刻只能实现较小规模的二维器件，而且成本很高。因而现阶段，导电聚合物的制造加工是限制该材料进一步发展的关键障碍。
而制造、加工问题也正是赵选贺团队在最新研究中最关键的突破。以前人们也曾经尝试使用3D打印制造导电聚合物，但问题在于导电聚合物在制备出来之前处在一种液体状态，所谓“挤出来就流走” ，无法保持原有的形态，这也是此前未能成功进行3D打印的主要原因。
要实现3D打印，关键的一步就是解决打印材料的问题。 “我们相当于把液体状的导电聚合物变成了牙膏状。 ”赵选贺说。
团队在研究中选择了聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)——一种广泛使用的导电聚合物，常以漆黑或是深蓝色液体形式存在，其中的纳米纤维是该材料具有导电性的关键。
为了将这种材料作为打印原材料送入3D打印机，团队需要找到一种方法，在不改变其自身导电性的情况下为其“增稠” 。
他们首先将水状的导电聚合物进行冷冻、干燥，留下了纳米纤维等材料，再将干燥的纳米纤维与此前开发的水、有机溶剂混合，制成了一种混合了纳米纤维的水凝胶。
经过对比发现，当水凝胶中的纳米纤维含量在5%到8%之间时，材料在形态上就变得像牙膏状，适合作为3D打印的原材料，得到各种具有高精度、三维的器件和结构，同时也保持了导电聚合物本身的导电性。

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图|纳米纤维含量不同，材料的形态变化
这一做法体现了赵选贺团队对材料的结构和性能有着独特的理解， “我们最终发现，材料的冷冻、干燥的过程中，导电聚合物中的纳米纤维会聚集、互相作用，这种作用最终赋予了作为3D打印油墨所需要的流变性能。 ”赵选贺解释道。