近日，物理科學(xué)與工程學(xué)院周斌教授、杜艾教授團(tuán)隊圍繞氣凝膠3D打印中的墨水流變調(diào)控與先進(jìn)制備策略，系統(tǒng)梳理了氣凝膠直接墨水書寫（Direct Ink Writing, DIW）技術(shù)的基礎(chǔ)理論及近年研究進(jìn)展，并針對該領(lǐng)域現(xiàn)存挑戰(zhàn)與未來發(fā)展方向進(jìn)行了前瞻性展望。相關(guān)成果以“Direct ink writing of aerogels：Fundamentals，strategies，applications，and perspectives”為題發(fā)表于《材料科學(xué)進(jìn)展》（Progress in Materials Science）。

為實現(xiàn)氣凝膠的直接墨水書寫，需優(yōu)先構(gòu)建具有剪切-變稀特性的非牛頓流體（圖1）。文章通過系統(tǒng)關(guān)聯(lián)氣凝膠前驅(qū)體流變特性的動態(tài)演變與3D打印墨水設(shè)計，詳細(xì)分析了其形成機理，提出了可打印的墨水流變性能判據(jù)，為研究人員提供了定性與定量墨水設(shè)計的思路。

圖1、DIW機制及墨水流變學(xué)

溶膠凝膠墨水的流變特性和先進(jìn)成型策略對氣凝膠3D打印及其功能化應(yīng)用至關(guān)重要。這些特性與策略對不同種類氣凝膠的基本原理是通用的，甚至在理論上可擴展到任何種類的氣凝膠3D打印。該綜述針對氣凝膠墨水流變學(xué)狀態(tài)，詳細(xì)探討了“墨水設(shè)計-打印-后處理”的先進(jìn)策略（圖2）。文章也對氣凝膠DIW的基本原理（涵蓋擠出設(shè)置、墨水流變學(xué)、針內(nèi)假設(shè)和模擬等方面）以及典型的應(yīng)用（如超級電容器、電池、太陽能蒸汽產(chǎn)生、隔熱、油水分離、有機污染物光降解、電磁屏蔽、細(xì)胞增殖、神經(jīng)再生、骨組織工程、食品智能包裝、智能設(shè)備、微型機器人、傳感器等）進(jìn)行了全面回顧，并詳細(xì)探討了其面臨的諸多挑戰(zhàn)（包括墨水設(shè)計、打印過程、打印精度和功能/應(yīng)用等方面）以及未來可能發(fā)展的方向（如長期墨水儲存及可打印、結(jié)構(gòu)保真度與相關(guān)參數(shù)的匹配性、人工智能引入、快速凝膠化、新材料和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)等）。

圖2、DIW先進(jìn)策略