墨水流變性能與打印保真度之間的適配是成功實現(xiàn)氣凝膠3D打印的關(guān)鍵，F(xiàn)行工藝普遍依賴外源性流變改性劑構(gòu)建墨水可打印性，該策略雖能實現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)成型，卻導(dǎo)致氣凝膠納米多孔結(jié)構(gòu)完整性受損。如何在跨尺度制造過程中維持氣凝膠結(jié)構(gòu)-性能本征特性，成為制約氣凝膠高性能、功能化制備的關(guān)鍵科學(xué)難題。
近期，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院杜艾教授、周斌教授團(tuán)隊提出了一種流變匹配策略（圖1），結(jié)合無添加氣凝膠墨水設(shè)計與懸浮3D打印，成功實現(xiàn)了低粘度（<2.8 Pa s）、超低儲能模量（~2 Pa）的間苯二酚-甲醛（RF）氣凝膠墨水的3D打印。該墨水表現(xiàn)出類液體的特征（儲能模量G′ < 損耗模量G″）和類流體的損耗因子（tan α =3）。與現(xiàn)有氣凝膠墨水相比，可用于3D打印的RF氣凝膠墨水的關(guān)鍵流變參數(shù)（G′）降低了20到100萬倍（圖2）。該策略具有以下幾個優(yōu)勢：1）擴(kuò)大了墨水流變范圍，從傳統(tǒng)“類固體”擴(kuò)展至“類液體”流變特征，使其廣泛適用于各種無添加的氣凝膠墨水；2）消除了氣凝膠3D打印對墨水設(shè)計的苛刻要求，如高粘度、高儲能模量、高屈服應(yīng)力等；3）提高了成型自由度，利用微凝膠的懸浮支撐作用避免了重力和毛細(xì)管坍塌。該研究成功實現(xiàn)了無添加氣凝膠的跨尺度結(jié)構(gòu)保真3D成型，不僅完整保留了氣凝膠的高純度與固有結(jié)構(gòu)特性，更突破了傳統(tǒng)工藝對復(fù)雜幾何構(gòu)型的限制。這種兼具本征結(jié)構(gòu)-性能的氣凝膠成型體系，在能源存儲、柔性電子、催化反應(yīng)及光能捕獲等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。以太陽能蒸汽發(fā)生器為例，其3D多孔架構(gòu)使蒸發(fā)速率顯著提升至（1.85-2.30） kg m-2 h-1，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)（111.15-138.79）%；更在多水源適應(yīng)性、海水循環(huán)凈化能力及抗鹽析出性能等方面具備顯著的優(yōu)勢（圖3-4）。通過構(gòu)建普適性策略，該研究突破了傳統(tǒng)可打印氣凝膠墨水設(shè)計及其流變窗口限制，為復(fù)雜構(gòu)型氣凝膠器件的功能化制造提供了新范式。
圖1 不同流變性能的氣凝膠墨水及其3D打印
圖2 RF氣凝膠墨水的流變性能及其3D打印
圖3 氣凝膠基太陽能蒸汽發(fā)生器設(shè)計及蒸發(fā)性能
圖4 氣凝膠基太陽能蒸汽發(fā)生器海水凈化
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202423739
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