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  3D打印作為一種快速發(fā)展的數(shù)字化成型技術，在不依靠任何模具制品的前提下，可以實現(xiàn)從計算機輔助設計到復雜3D實體之間的跨越。在眾多3D打印技術中，數(shù)字光處理（DLP）具有打印速度快、分辨率高、成本低等優(yōu)點，在醫(yī)療設備、航空航天結構、智能電子器件和軟機器人等工程應用中顯示出無與倫比的優(yōu)越性。然而，目前3D打印依然受到各種因素的限制，尤其是可選擇的打印材料種類非常有限，并且常用的熱固性或熱塑性樹脂是剛性和非導電材料，極大地限制了3D打印在柔性電子器件中的應用。近年來，3D 打印軟導電材料（如水凝膠/離子凝膠）的快速發(fā)展為可穿戴觸覺設備和生物電子等智能應用開辟了新機遇，但是仍然面臨一些無法逾越的瓶頸：水凝膠/離子凝膠內液體容易蒸發(fā)或泄漏，導致其電學和機械性能的穩(wěn)定性欠佳。雖然通過設計光固化離子彈性體可以克服這些難題，但是目前大多數(shù)離子彈性體的光聚合動力學較慢和光固化效率極低。因此，迄今鮮有高精度3D打印的離子彈性體被報道。

  基于此，香港城市大學王鉆開教授團隊報道了一種可快速光固化的全固態(tài)導電離子彈性體（SCIE），實現(xiàn)了導電軟材料的高分辨率3D打印，從根本上解決了3D打印凝膠在應用中溶劑蒸發(fā)或泄露的難題。與傳統(tǒng)3D打印導電凝膠相比，SCIE不僅能打印出高分辨率的懸垂晶格結構（~50 μm）,而且在較寬的溫度范圍內展現(xiàn)出優(yōu)秀的力學性能、可拉伸性、導電性以及抗疲勞能力。通過設計與優(yōu)化拓撲結構，3D 打印柔性觸覺傳感器表現(xiàn)出高無結構設計傳感器幾倍的靈敏度。此外，SCIE還具有優(yōu)異的普適性，可以與其他功能性無機材料復合，為 3D打印功能材料的設計提供了新范式，同時也推動了 3D打印在智能柔性電子器件中的應用。

圖1. 3D打印SCIE的設計和優(yōu)點。（a和b）SCIE的實物照片和分子設計。（c）SCIE的電壓-電流曲線。(d) SCIE的光固化動力學。（e）SCIE的機械性能。（f）SCIE與商用打印材料粘度的對比。（g）SCIE和常用3D打印軟材料的楊氏模量、導電性、固化速度和流動性的對比。

圖2. SCIE的3D打印性能表征。（a）DLP 3D打印裝置示意圖。（b）打印微米級結構的SEM圖像。（c）打印封閉微流控通道的實物照片。（d）實現(xiàn)高精度3D打印機理的示意圖。（e）SCIE和水凝膠的長時間電導率變化。（f）對比SCIE和文獻中報道3D打印軟材料的電導率和楊氏模量。

圖3. 3D打印壓阻傳感器的拓撲設計與觸覺性能。（a）通過拓撲設計增強打印構件的壓縮應變恢復能力。（b）3D打印構件的光學圖像及其截面應力分布。（c）對比3D打印構件和文獻中報道彈性材料的抗疲勞性。（d）3D打印螺旋二十四面體作為壓阻傳感器的優(yōu)點。（e） 不同拓撲結構壓阻傳感器在不同壓力刺激下的電阻變化。（f）3D打印螺旋二十四面體傳感器在不同頻率壓力刺激下電阻變化。

圖4.可伸縮微電路的一步打印及其高靈敏度電容式傳感器設計。（a）可伸縮微電路一步打印的示意圖。（b）打印微電路的拉伸性能。（c）與現(xiàn)有打印微電路的拉伸性能和制備時間的對比。（d）拓撲結構設計增加電容式傳感器的靈敏度。（e）不同厚度的空隙結構壓阻傳感器在不同壓力刺激下的電容變化。（f）對比打印電容傳感器和傳統(tǒng)壓力傳感器的靈敏度和最小檢測壓力。

  相關成果以“3D printed, solid-state conductive ionoelastomer as a generic building block for tactile applications”為題發(fā)表于Advanced Materials。本文的第一作者是香港城市大學博士后研究員張超博士、鄭煥璽博士和孫靜博士，通訊作者是香港城市大學王鉆開教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202105996