利用拉伸技术实现墨水诱导的三维生物仿生纳米复合材料的打印，该复合材料具有较高的韧性

《Journal of Materials Science & Technology》：Stretching ink-induced three-dimensional printing of biomimetic hierarchical nanocomposites with high toughness

本工作提出了一种拉伸墨水诱导的三维打印策略，通过精确控制石墨烯纳米片方向构建多尺度仿生结构，实现各向同性机械性能，显著提升材料强度与韧性。

　　这项研究聚焦于通过一种创新的3D打印技术，模仿自然材料的多尺度层级结构，以制造具有优异机械性能的仿生纳米复合材料。自然界的结构材料，如鲍鱼壳、螳螂虾的螯足和海螺壳，因其复杂的多尺度层级结构展现出卓越的机械性能和多功能性。这些材料内部通过有序排列的增强单元构建了多层次结构，使得材料在各个尺度上都能激活不同的增强机制，从而实现远超单一材料的韧性。然而，传统的合成材料在模仿这些自然结构时面临诸多挑战，包括制造工艺的精度限制、多尺度相材料的复杂性以及设计难度。因此，科学家们一直在探索新的制造方法，以更有效地复制自然界的多尺度结构，并实现对增强材料方向的精确控制。

研究人员提出了一种名为“拉伸墨水诱导3D打印”（Stretching Ink-Induced 3D Printing, SI-3D）的新型制造策略。该方法利用拉伸力对墨水中的材料进行精确控制，使得纳米级的氧化石墨烯（GO）片层能够被有序排列，并进一步构建出具有多尺度层级结构的3D框架。这种方法不仅能够实现对纳米片层方向的精确控制，还能构建出多样化的仿生结构，包括砖墙式结构、鲍利贡结构和分支层状结构。这些结构在自然界中广泛存在，且被认为对材料的机械性能有重要影响。

通过SI-3D打印技术，研究人员成功制备了具有低石墨烯负载（约1.6 wt.%）但展现出优异韧性的仿生纳米复合材料。这种材料在各个方向上的韧性表现几乎一致，从而克服了传统仿生材料在特定方向上表现优异而在其他方向上相对较弱的问题。这种现象通常被称为机械各向异性，即材料在不同方向上的性能存在差异。然而，通过SI-3D技术，研究人员能够实现对纳米片层方向的精确控制，从而使得材料在各个方向上的性能趋于一致，展现出机械各向同性的特性。

这项研究的意义在于，它提供了一种新的思路，用于制造高性能的纳米复合材料，并设计出前所未有的结构。传统的制造方法，如热压烧结、冷冻铸造和逐层沉积，虽然在构建仿生结构方面取得了一定进展，但仍然存在局限性，尤其是在实现多尺度结构的构建和对填充材料方向的精确控制方面。相比之下，SI-3D技术具有更高的灵活性和自由度，能够更有效地控制材料的结构和性能。

SI-3D技术的核心在于其对拉伸力的利用。在3D打印过程中，通过施加拉伸力，可以精确地控制墨水中的纳米片层的排列方向。这种控制能力使得研究人员能够在不同的打印模式下，如垂直、倾斜和水平模式，构建出具有复杂结构的微尺度纤维。此外，通过逐层打印的方式，研究人员还能够构建出宏观的3D框架，进一步实现对材料结构的精细控制。

在实验过程中，研究人员选择了三种典型的自然结构作为仿生设计的模板，分别是鲍鱼壳的砖墙式结构、螳螂虾的螯足的鲍利贡结构以及海螺壳的分支层状结构。这些结构在自然界中被认为对材料的机械性能有重要影响，因此在仿生设计中具有很高的研究价值。通过SI-3D技术，研究人员成功地将这些自然结构复制到人工制造的材料中，从而实现了对材料性能的优化。

这项研究的结果表明，通过SI-3D技术制造的仿生纳米复合材料在各个方向上都表现出优异的韧性。这与传统仿生材料在特定方向上表现出优异性能而在其他方向上相对较弱的情况形成了鲜明对比。研究人员发现，这种各向同性的特性主要得益于SI-3D技术对纳米片层方向的精确控制，使得材料在各个方向上的增强效果更加均衡。

此外，研究人员还发现，SI-3D技术在构建复杂结构方面具有显著优势。通过精确控制墨水中的纳米片层排列方向，研究人员能够构建出具有多尺度层级结构的3D框架，从而实现对材料性能的全面提升。这种技术的应用不仅限于纳米复合材料的制造，还可以扩展到其他类型的仿生材料，为未来的材料科学研究提供了新的方向。

研究还涉及了材料的制备过程。研究人员使用了高纯度的石墨粉作为原料，并通过化学反应制备了氧化石墨烯墨水。此外，他们还准备了用于凝固的溶液，以确保墨水在打印过程中的稳定性和可控性。通过这些材料的制备，研究人员能够实现对纳米片层排列方向的精确控制，从而构建出具有优异性能的仿生结构。

在实验过程中，研究人员还对材料的性能进行了测试和分析。通过不同的测试方法，如X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS），研究人员能够确认材料的结构和成分。这些测试结果进一步验证了SI-3D技术在构建仿生结构方面的有效性，并为后续的材料优化提供了依据。

总的来说，这项研究通过创新的3D打印技术，成功实现了对仿生结构的精确复制和构建，为高性能纳米复合材料的开发提供了新的思路和方法。未来，随着技术的不断进步，SI-3D技术有望在更多领域得到应用，为材料科学的发展带来更大的突破。