化学工程团队开创了模仿天然材料的3D打印技术

复制蝴蝶翅膀的闪烁虹彩、螳螂虾爪的锤子般的硬度或哺乳动物皮质骨的强度并不是一件简单的事情。

但南卡罗来纳大学的一位化学工程科学家和她的研究团队正在开拓3D 打印方法，以创造模仿自然界中复杂纳米结构的新型软材料。

“我们所做的大部分研究都是受自然启发的，”工程与计算学院助理教授 Sanaz (Monirosadat) Sadati 说，他在手性液晶结晶方面的研究能力去年获得了国家科学院颁发的职业奖。国家科学基金会。“在这项研究中，我们对复制自然界中发现的 Bouligand 结构特别感兴趣，这些结构是微米和纳米纤维层，相对于相邻层稍微扭曲，从而形成螺旋/手性结构。”

虹彩甲虫和大理石浆果的外层含有 Bouligand 结构——甲虫中的几丁质和浆果中的纤维素——这些层的手性或扭曲组装选择性地反射特定波长的光。因此，它们呈现出引人注目的色彩，而无需色素沉着。

由于甲壳素或胶原纤维的扭曲排列，螳螂虾爪和哺乳动物皮质骨中的 Bouligand 结构表现出卓越的机械性能。

受这些生物材料的启发，Sadati 的研究重点是开发 3D 打印方法来复制反光和高强度结构的微米和纳米级结构。为此，Sadati 的团队使用微小的针作为 3D 打印喷嘴，将纤维素材料作为“墨水”注入。

“为了设计我们的墨水并调整 3D 打印参数，我们首先需要了解打印过程中的剪切力如何与墨水中的 Bouligand/手性结构相互作用，”Sadati 说。“我们发现，当施加剪切力时——在这种情况下，打印机将材料推过打印机喷嘴的力——纤维素成分的 Bouligand 结构会受到干扰。因此，我们必须以一种确保它们在打印后最终恢复天然 Bouligand 材料中的螺旋组装的方式设计我们的墨水。”

Sadati 的团队最近在《PNAS》(《国家科学院院刊》)和《Small》杂志上发表了有关 3D 打印实验的论文，并成为 2023 年 5 月 10 日版的特色封面。这两部作品是由萨达蒂的两名研究生凯尔·乔治(Kyle George)和莫森·埃斯梅里(Mohsen Esmaeili)领导的。

Sadati 表示：“我们有兴趣为光子和机械应用设计这些结构。”他指出，未来还有很多工作要做，包括对 3D 打印材料的物理和机械性能进行广泛的测试。她的研究得到了大学资助，并已提交联邦资助。