3D打印可以有效地创建复杂的三维材料结构，在许多领域显示出巨大的应用潜力，如医学、电子学、机器人和航空航天。在打印材料、打印技术（速度、精度）等方面已经取得了许多进展。

《Nature》和《Science》期刊是在学术界享有盛誉的国际综合性科学周刊，发布的都是科学世界中的多次重大发现、重要突破和科研成果，3D打印作为近些年的热门技术，众多研究团队在上面发表过非常多与之相关的科研成果。

一、《Science》:普适性的纳米材料3D打印新方法

清华大学化学系张昊副教授、李景虹院士、精密仪器系林琳涵副教授、孙洪波教授共同开发了一种普适性的纳米材料3D打印新方法，简称为3D Pin，通过引入光敏氮宾小分子，实现了多种无机纳米材料（半导体、金属、氧化物纳米材料）的纳米级3D打印，结构具有高的无机组分占比，并具有优异的力学性能与可调谐的光学性能。相关研究成果以题为《3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals》发表在《Science》上。

3D Pin工作原理：胶体纳米晶体由内部的无机组分与表面配体组成，其中配体通过空间位阻或电荷排斥作用使纳米晶体在溶液中保持胶体稳定性，起到重要作用。3D Pin通过光化学的方法，在胶体纳米晶溶液中添加少量小分子的双叠氮分子，用光引发氮宾生成与有机配体的非特异性C-H插入反应，实现纳米晶之间的强共价键连接。随着光源在溶液中移动，纳米晶经历了扩散-聚集-键合的过程，形成复杂的三维结构。叠氮分子具有特定波段的紫外吸收，可以通过相应紫外光的单光子吸收过程与长波的双光子吸收过程实现不同分辨率的打印，FTIR与XPS证实了该反应机理。这种非特异性的反应机理导致了该方法可以普适性地应用在各类胶体纳米晶体中。

全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg6681

二、《Science》：石英玻璃3D打印工艺，免烧结！

来自德国卡尔斯鲁厄理工学院和加利福尼亚州立大学的研究人员开发了一种新的石英玻璃3D打印工艺，使用双光子聚合技术实现了自由形式熔融二氧化硅纳米结构的免烧结打印制造，这在3D打印领域引起不小的轰动。他们的研究已经发表在了《Science》上，题目为《A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass》(《一种无烧结、低温的3D打印纳米级光学玻璃的工艺》)。

该技术主要采用丙烯酸酯功能化的多面体低聚硅氧烷（POSS）树脂进行自由形态熔融二氧化硅纳米结构的无烧结、双光子聚合，以实现纳米结构的打印。与传统通过牺牲性粘合剂不同，这种POSS树脂本身构成了一个连续的硅氧分子网络，仅在650℃时就能形成透明的熔融石英。这个温度比将离散的二氧化硅颗粒熔化成连续体的烧结温度低500°C。

这种玻璃 3D 打印的新工艺为高科技应用、光子学和微光学开辟了许多有趣且具有前瞻性的可能性。POSS-玻璃 TPP 3D 打印路线可能有助于重新定义硅玻璃自由形式制造的范例，并克服主导该领域的基于粒子的方法的基本局限性：

●研究的关键创新在于开发的 POSS 树脂，与载有颗粒的粘合剂相反，它是自身聚合成连续的硅氧分子网络。因此，该材料避免了将离散二氧化硅颗粒烧结成连续体 所需的极端温度，从而仅在 650°C 时即可转化为熔融二氧化硅。

●基于 TPP 方法 ，通过将温度降低约 500°C，这使得二氧化硅玻璃的自由形式合成低于微系统技术基本材料的熔点，包括银、铜、金和铝。这代表了一项突破，使透明物质的片上 3D 打印从最先进的有机聚合物发展为弹性光学级熔融石英。

●POSS 玻璃工艺突破了临界分辨率限制，在可见光谱 中实现了自由形式的二氧化硅纳米光子器件，同时能够制造数百个微米尺寸的高纵横比结构。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3037

三、《Science》：高精度3D打印有机硅

佛罗里达大学研究人员开发了一种有机硅 3D 打印技术，该技术可使用多种市售有机硅配方生产出精密、准确、坚固且功能强大的结构。为了达到这种性能水平，研究团队开发了一由硅油乳液制成种的支撑材料。这种材料对硅基油墨表现出的界面张力可以忽略不计，消除了通常会导致打印的硅树脂特征变形和断裂的破坏力。他们的研究内容已经发表在了顶刊《Science》上，题目为《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing》。

研究人员通过使用被硅油连续相包围的密集乳液作为支持材料，用硅基材料 3D 打印出精确、独立、高度详细的物体。这种技术可以精确控制支撑材料和打印流体之间的界面张力。作者证明，他们可以打印小至4微米的特征，以及机械坚固、薄壁、精确的人体脉管系统模型。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441

四、《Science》：3D打印+机器学习——检测出孔隙的形成

美国弗吉尼亚大学Tao Sun团队开发出一种高精度的方法，可以利用机器学习从热特征中检测出孔隙的形成，实施这种孔隙形成跟踪有助于避免建造由于高孔隙率而导致失效的部件。通过同步高速同步x射线成像和热成像，结合多物理模拟，发现了Ti-6Al-4V激光粉末床熔合过程中的两种小孔振荡。进一步通过机器学习扩大了这种理解，实现了以亚毫秒级的时间分辨率和近乎完美的预测率来检测随机小孔孔隙生成事件，这一简单实用的策略有望在商业系统中得到应用。

相关工作以《Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion》为题，于2023年1月5日发表在《Science》上，这也是2023年首篇发表在《Science》上有关3D打印的论文。

五、《Nature》：3D打印钛合金——α-β Ti-O-Fe合金，坚固、延展性和可持续！

香港理工大学科学家与皇家墨尔本理工大学和悉尼大学合作，成功利用3D打印解决了钛合金生产中长期存在的质量和废物管理等问题。这项研究以题为《Strong and ductiletitanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing》(《通过增材制造实现强韧性钛氧铁合金》)的论文发表在《Nature》杂志上。

钛合金是先进的轻质材料，在许多关键应用中发挥着不可或缺的作用。研究团队发现，创新地使用增材制造来生产钛合金和其他潜在的金属材料具有许多优势，例如降低成本、提高性能和可持续废物管理。通过使用3D打印，研究团队生产出了一种新型的坚固、延展性和可持续的钛合金（α-β Ti-O-Fe合金）。这些性能是通过加入廉价且丰富的氧和铁来实现的，它们是α-β 相钛合金的两种最强大的稳定元素和强化剂。新型钛合金在多种应用中展现出巨大的潜力——从航空航天和海洋工程到消费电子产品和生物医学设备。

六、《Nature》：多材料3D打印方法

科学团队近日成功研发了新型 3D 打印技术，通过一种新的增材制造方法，可以调用多种不同材料，一次打印出具有工作韧带和肌腱的骨骼机械手。

这项研究成果已经发表在《Nature》上，由瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员，和位于马萨诸塞州梅德福的麻省理工学院衍生公司 Inkbit 合作取得，双方设计了一种新的 3D 喷墨打印技术，能够使用比以前的设备更广泛的材料。

该小组首次表明该技术可用于在单个打印作业中，打印由多种材料制成的复杂移动设备，其中包括一个仿生的机械手、一个带抓取器的六足机器人，以及一个以心 脏为模型的泵。

类似于您在办公室中可能发现的那种喷墨打印机的原理。然而，打印机喷出的树脂在暴露于紫外线 （UV） 时会变硬，而不是彩色墨水，而不仅仅是打印一张纸，而是逐层构建 3D 对象。它还能够以极高的分辨率打印，体素（相当于像素的 3D 等价物）只有几微米宽。

七、《Nature》：3D打印HTCP方法

美国圣母大学科研团队近日发明了一种独特的 3D 打印方法--高通量组合打印（HTCP），相比较传统方式，能够更快发现和制造材料。

该大学航空航天与机械工程副教授张闫亮（Yanliang Zhang，音译）表示：“发现一种新材料通常需要 10 年到 20 年，而通过我们的 3D 打印方案，可以缩短至 1 年，乃至数月，这将改变新材料的发现和制造”。

HTCP 主要使用多种雾化纳米材料作为 3D 打印机的“油墨”，在打印过程中，“油墨”中各种材料的比例也会动态改变。

因此，HTCP 能控制打印材料的 3D 结构和局部成分，并以微尺度空间分辨率，生产出具有梯度成分和属性的材料。

基于气溶胶的 HTCP 用途广泛，适用于各种金属、半导体和电介质，以及聚合物和生物材料。它生成充当“库”的组合材料，每个材料包含数千种独特的作品。

文章来源： IT之家，材料学网