科学家们研发出一种能在室温下进行三维打印固体物体的导电金属凝胶。这种凝胶将铜颗粒与铟镓合金结合起来，在干燥后形成固态，并且在施加热量时可以展示可控形状变化，这个过程被称为四维打印。这些物体展现出较高的电导率，为创造各种电子元件和设备铺平了道路。

研究人员已经成功开发出一种高度导电的金属凝胶，可以在室温下用于打印立体的三维实体物体。

“3D打印技术已经彻底改变了制造业，但我们之前没有意识到有哪种技术可以在室温下一步完成3D金属物体的打印，” 北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系的卡米尔和亨利·德雷福斯教授、这项研究的共同通讯作者迈克尔·迪基表示。“这为制造各种电子组件和设备打开了大门。”

为了制造金属凝胶，研究人员首先准备了一种水中悬浮着微米级铜颗粒的溶液。接着，研究人员加入了少量的铟镓合金，这种合金在室温下呈液态。随后，将混合物搅拌均匀。

当混合物被搅拌时，液态金属和铜颗粒基本上互相粘附在一起，在水溶液中形成了一种金属凝胶“网络”。

“这种凝胶状的一致性非常重要，因为这意味着你在材料中有一个相当均匀的铜颗粒分布，”迪奇说。“这有两个作用。首先，它意味着这些颗粒形成电路网络。其次，它意味着铜颗粒没有沉淀和堵塞打印机。”

所得的凝胶可以使用传统的三维打印喷嘴进行打印，并且在打印时能够保持其形状。而且，当在室温下允许其干燥后，所得的三维物体不仅变得更加坚固，同时还保持了其形状。

然而，如果用户在物体干燥的同时决定给它加热，一些有趣的事情可能会发生。

研究人员发现颗粒的排列方式会影响材料的干燥过程。例如，如果你打印一个圆柱状物体，它在干燥过程中的侧面会比顶部和底部更收缩。如果某物在室温下干燥，干燥速度足够慢，不会对物体的结构造成改变。然而，如果施加热源，例如将其放置在80摄氏度的热灯下，快速干燥可能会导致结构变形。由于这种变形是可预测的，这意味着你可以通过控制打印物体的图案和干燥过程中物体暴露在热源下的时间来使已打印的物体改变形状。

“最终，这种四维打印——传统的三个维度加上时间——是用来创造具有所需尺寸的结构的又一工具，”迪基说道，“但我们发现对这种材料最令人激动的是它的导电性。”

“由于打印出来的物体有高达97.5%的金属含量，它们具有很高的导电性。显然，它的导电性并不像传统的铜导线那样高，但在常温下，无法通过3D打印来制造铜导线。而我们研制的打印产品的导电性远超其他任何可打印的材料。对于这方面的应用，我们感到非常兴奋。”

“我们愿意与行业合作伙伴一起探索潜在应用，并且非常乐意与潜在合作者讨论未来研究的方向。”迪基说道。

《金属凝胶用于导电3D和4D打印的论文》于7月5日在期刊《Matter》上发表。

参考文献: 邢睿哲、杨佳怡、张东光、宫卫、泰勒·维. 诺伊曼、王美香、黄仁亮、孔杰、齐巍和迈克尔·D·迪基所著的《用于导电三维和四维打印的金属凝胶》，发表于2023年7月5日的期刊《Matter》。DOI: 10.1016/j.matt.2023.06.015。

论文的第一作者是Ruizhe Xing，他是一位在NC State做访问学者的同时也与西北工业大学和天津大学有关联。该论文的共同通讯作者是NC State的Dickey以及Tianjin University的Renliang Huang和Wei Qi。该论文的合著者还有Jiayi Yang，他曾是NC State的访问学者，现在就职于西安科技大学；Dongguang Zhang，他曾是NC State的访问学者，现在就职于太原理工大学；Wei Gong，他曾是NC State的访问学者，现在就职于新加坡国立大学；Taylor Neumann，他曾是NC State的博士生；Meixiang Wang，他是NC State的博士后研究员；以及Northwestern Polytechnical University的Jie Kong。