2026年3月26日，来自桑迪亚国家实验室、德克萨斯大学奥斯汀分校、俄勒冈州立大学、亚利桑那州立大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和萨凡纳河国家实验室的研究人员报告了一种光刻3D打印方法，能够控制单个热塑性部件内部的结晶度。相关研究以题为“Lithographic crystallinity regulation in additive fabrication of
thermoplastics (CRAFT)/热塑性塑料增材制造中的光刻结晶度调控”的论文发表在《科学》杂志上。论文由Alex J.
Commisso、Eric M. Nagel、Samuel C. Leguizamon等人联合撰写。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb3637
本研究描述了一种基于光刻的3D打印工艺，能够对三维空间中的结晶度进行微观控制，并对光学和机械性能进行体素级控制。该方法使用单一热塑性原料，即可在单个打印物体内局部调节刚度、透明度、变形行为和振动响应。
半结晶热塑性塑料的性能取决于结晶区和非晶区之间的平衡，但从注塑成型到3D打印等传统工艺通常生产出整体式物体，无法对结晶度进行空间编码。早期研究已展示了结晶度的局部图案化，但空间控制、几何复杂性和中间结晶度分辨率均有限。本研究中，研究人员在光引发开环易位聚合体系中使用顺式环辛烯，合成了聚环辛烯（pCOE）。他们的配方包含100
ppm的商用钌引发剂HeatMet，以及ITX、EDAB、MIM和BHT。使用365 nm LED在8至128 mW
cm⁻²的功率密度下进行照射，制备出的材料从半透明到不透明不等。差示扫描量热法显示，结晶度从 8 mW cm^-2 时的约 60% 下降到
132 mW cm^-2 时的约 25%，而熔点从 70 °C 降至 40
°C。核磁共振测量表明，较高的光强度会增加顺式异构体含量，从而降低固态堆积和结晶度。
从机理上看，本文并未将结果限定为单一的反应路径。在考虑了单体光异构化、自由基聚合、二次复分解以及光敏剂与引发剂的配位等反应后，作者认为最可能的机理是通过钌引发剂的光化学分解抑制二次复分解。密度泛函理论和实验测量结果均支持这一解释。在100
ppm
HeatMet存在下，连续光照将转化率限制在80%左右；而10秒脉冲照射后进行暗老化，则可在1小时内达到定量转化。在连续和脉冲实验中，光照强度越高，转化率和反式烯烃含量越低。在高强度光照下制备的pCOE中添加新鲜的HeatMet，可通过二次复分解增加反式烯烃含量，进一步强化了所提出的机理。
随后，化学反应被转化为灰度光刻打印技术。从G0到G255的灰度值与0到168
mW cm⁻²的辐照强度成正比。在拉伸试验中，G17（对应于11 mW cm⁻²）的低强度印刷产生了高度结晶的材料，其杨氏模量约为250
MPa，屈服强度为19 MPa，平均断裂伸长率超过700%。在G255时，模量降至120 MPa，屈服强度降至9
MPa，断裂伸长率降至630%。
在G59-G17界面进行的纳米压痕测试表明，大约90%的模量变化发生在约300
µm的范围内。1951年美国空军的一项研究表明，空间分辨率约为数百微米。包含18个灰度值的拼贴图案显示灰度值与模量呈反比关系，其中G17、G59和G255的接触模量分别达到1050、100和50
MPa。连续灰度图像，包括《蒙娜丽莎》和米开朗基罗的《创造亚当》，生成的打印pCOE样品的灰度直方图与源图像高度吻合。
数字光处理（DLP）打印技术将新的工艺扩展到了完整的3D结构。演示样品包括一个嵌入G255立方体矩阵中的G40边界的雷鸟；一个仿照缅甸星龟设计的、龟壳区域跨越G50至G180的乌龟模型；以及一个打印的手，其中包含四个预设区域：G255处的皮肤、G120处的韧带、G80处的肌腱和G40处的骨骼。在一个图案化的拉伸杆中，G140、G190和G255区域在应变作用下依次屈服，产生阶梯状的应力响应。由交替的G40和G255层构建的、旋转5°或90°的Bouligand结构表现出不同的振动响应，在800
Hz和1050 Hz附近出现明显的阻尼或共振峰。单独的热循环和溶解测试表明，材料仍保持热塑性，而不是交联，因此可以溶解在甲苯中并重新浇铸。
这一发现可以实现快速的多材料制造，并实现对光学和机械性能的体素级控制，从而为信息存储、软体机器人和能量阻尼等领域开辟新的途径。
来源：南极熊
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