工程師運用細胞流體技術拓展多材料設計可能性

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的工程研究人員，透過毛細作用的力量，在多材料增材製造（3D列印）領域取得了突破性進展。LLNL團隊利用一系列客製化設計的單元晶格，列印出了晶格結構，能夠有選擇性地吸收流體材料，並精準地引導它們形成特定圖案，這使得用無法列印的材料或性質差異極大的材料製造複雜結構成為可能。

研究人員表示，這項技術登上了《先進材料技術》的內頁封面，它將有助於工程師設計和最佳化結構，以實現如極高的強重比、大表面積或精準變形等特性。論文的第一作者、材料工程部門（MED）的工程師哈維・格梅達（Hawi Gemeda）指出：「透過將部分列印和圖案化技術分離，我們能夠實現一些複雜的多材料結構，而且不一定要能夠直接列印出這些材料。」

MED的研究員、論文共同作者尼克・杜杜科維奇（Nik Dudukovic）解釋道：「本質上，我們是將液滴或液流困在開放孔隙中，這些孔隙並非完全封閉。這使我們能夠將構成晶格的軟質材料和隨後固化的填充液體組合在一起，形成一種硬質材料，從而產生一些有趣的力學特性。」

研究團隊認為，實現全面的多尺度、多材料增材製造（AM），本質上可以實現無限制的設計。結合多種材料可以產生其他方法無法達到的特性，而使用增材製造可以更輕易地製造出具有特殊特性的形狀，如晶格和螺旋結構，且其規模是傳統製造方法無法實現的。杜杜科維奇說：「根據兩種材料的圖案化方式不同，結構的效能也會有所不同。所以，如果你瞭解相關的物理原理，就相當於擁有了一個探索不同力學反應的實驗場。」

多材料增材製造通常需要複雜的設定或專用裝置，並且限於可以進行3D列印的材料。該團隊將目光轉向了他們在2021年引入的細胞流體技術，將其作為一種潛在的替代方案。細胞流體單元是毫米級的3D列印結構，由於毛細作用，它們能夠在開放空間中容納和流動液體和氣體而不會洩漏。在這個尺度上，毛細作用透過表面張力、粘附力和內聚力的共同作用，使流體在開放空間中克服重力流動，就像水在紙巾上爬升一樣。

利用細胞流體技術，團隊設計了能夠限制液體材料並控制其流動方向的單元晶格，這些單元晶格是晶格結構的基本構成部分。他們先列印出一個晶格支架來確定形狀，然後將定向單元晶格排列成特定圖案，使填充的液體材料只能按照他們期望的位置和方式流動，從而創造出一種開放式的3D模具。令人印象深刻的是，這種前所未有的單元晶格首次嘗試就取得了成功。杜杜科維奇說：「這總是非常令人欣慰，而且也非常難得。這證明我們有足夠的信心在這些複雜結構中控制流體的流動方向。」

細胞流體圖案化技術最大化了填充流體與周圍大氣之間的表面積。這使得該技術在涉及氣體和液體接觸的過程中具有無限的潛力，使其有可能在感測和檢測、生物反應器、電化學系統、碳捕獲平臺等領域引發重大變革。

為了了解透過圖案化液體製造多材料固體的可能性，團隊對不同的單元晶格排列方式進行了實驗，例如45度旋轉或使用離散的口袋進行圖案化，而不是採用骨架結構。其中一種排列方式包括只有在受到按壓時才會吸收液體的單元晶格，作者認為這可能為設計自癒合結構提供了一條途徑。杜杜科維奇表示：「這意味著有一天我們可以設計一種結構，用聚合物填充它，然後在原位固化，這樣就能只在直接承受大應力的地方加強晶格。」

雖然列印的晶格手只是一個示範，但這項技術有朝一日可能用於製造用於生物醫學應用的混合生物材料，以及用於航空航天工業的複雜但輕質的結構。格梅達希望透過將該技術推廣到其他複合材料系統，如陶瓷、金屬和生物材料，進一步擴大設計空間，並探索如何使用單元晶格在同一支架中圖案化多種材料。她還希望能夠影響其他人，她說：「我希望這能夠激勵增材製造界利用我們的一些成果，拓展多材料、多尺度的能力。」