2025年10月9日，南极熊获悉，洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员率先开发出一种新的3D打印方法，可以在水基凝胶内“生长”金属和陶瓷，从而为下一代能源、生物医学和传感技术打造出极其致密而又复杂的结构。
光聚合技术通常仅用于光敏聚合物，这限制了它的实际应用场景范围。虽然一些3D打印技术已开发出将这些打印聚合物转化为更坚韧的金属和陶瓷，但EPFL工程学院材料化学与制造实验室负责人Daryl Yee解释说：“用这些技术生产的材料存在严重的结构缺陷。这些材料往往具有多孔性，这大幅度的降低了它们的强度，而且零件会过度收缩，因此导致翘曲。”
△相关研究已发表在《先进材料》期刊上，题目为“基于水凝胶的低收缩陶瓷和金属槽光聚合（通过重复灌注沉淀）”（传送门）
与之前的方法不同，EPFL团队首先用简单的水凝胶构建了一个3D支架，而不是使用光来硬化预先注入金属前体的树脂。然后，他们将金属盐注入这种“空白”水凝胶中，再通过化学方法将它转化为能够渗透到结构中的含金属纳米颗粒。重复此过程，即可生成金属浓度极高的复合材料。
经过5-10个“生长循环”，最后的加热步骤会烧掉剩余的水凝胶，留下成品：一个形状与原始空白聚合物相同的金属或陶瓷物体，密度和强度空前高超。由于水凝胶在制造后才注入金属盐，该技术能将单个水凝胶转化为多种不同的复合材料、陶瓷或金属。
Yee说道：“我们的工作不仅仅可以通过便捷、低成本的3D打印工艺制造出高质量的金属和陶瓷；它还凸显了增材制造的新范式，即材料选择发生在3D打印之后，而不是之前。”
△a)金属与陶瓷的水凝胶灌注沉淀工艺流程示意图。b)使用新工艺制造的金属与金属氧化物零件的实物照片
在这项研究中，研究团队用铁、银和铜制作了复杂的数学晶格形状，称为陀螺仪，展示了他们的技术能制造出坚固而复杂的结构。为了测试材料的强度，他们使用万能试验机对陀螺仪施加了慢慢的变大的压力。
Yee表示：“我们的工作凸显了增材制造的新范式，即材料选择发生在3D打印之后，而不是之前。”博士生兼第一作者Ji Yiming补充道：“与以前的方法生产的材料相比，我们的材料能承受20倍的压力，而收缩率仅为20%，而以前的方法生产的材料收缩率为60-90%”。
研究团队表示，他们的技术对于制造先进的3D结构尤其有用，这些结构必须同时兼具强度、重量轻和复杂性，例如传感器、生物医学设备或能量转换和存储设备。例如，金属催化剂对于实现将化学能转化为电能的反应至关重要。其他应用还包括用于能源技术的具有先进冷却性能的高表面积金属。
展望未来，该团队正致力于改进这项新工艺，以促进这项技术在工业领域的推广，特别是进一步提升材料的密度。另一个目标是提高速度：重复的灌注步骤虽然对于生产更坚固的材料至关重要，但与其它将聚合物转化为金属的3D打印技术相比，新工艺更加耗时。因此，研究人员正在进一步利用机器人自动化这些步骤来缩短总处理时间。
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