瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家们开创了一种突破性的3D打印技术，该技术以水凝胶为模板，制造出超致密、耐用的金属和陶瓷材料。

该工艺先构建一个凝胶支架，随后注入金属盐并转化为纳米颗粒，接着通过加热呈现出最终固态形态。与传统方法制成的材料相比，这样制得的材料强度更高，且更不易发生变形。

释放光固化立体成型技术的潜力

光固化成型技术是一种3D打印工艺，其操作过程为：将遇光可发生反应的液态树脂倒入容器中，随后利用激光或紫外线逐层固化，最终形成三维实体。然而，这一方法存在局限性，因其仅适用于光敏聚合物材料，从而限制了可制造材料的种类范围。

部分3D打印技术试图通过将打印出的聚合物转化为金属或陶瓷来克服这一问题。然而，据洛桑联邦理工学院工程学院材料与制造化学实验室负责人达里尔·伊（Daryl Yee）称，这些材料的质量往往不尽如人意。

他表示：“这些材料往往多孔，会大幅降低其强度，而且部件会出现过度收缩，进而导致变形。”

金属与陶瓷打印的水凝胶突破性进展

为攻克这些难题，叶（Yee）及其团队在《先进材料》期刊发表的论文中阐述了一种创新方法。研究人员摒弃了直接固化含金属化合物的树脂的传统思路，转而采用三维打印技术，以一种名为水凝胶的简单水基凝胶为原料，构建出基础框架。随后，将这一空白结构浸入金属盐溶液中，金属盐通过化学反应转化为微小的含金属纳米颗粒，均匀分散于凝胶内部。此过程可重复多次，以提升材料内部的金属浓度。

历经5至10个这样的“生长周期”后，通过加热去除剩余的水凝胶，留下一个金属或陶瓷结构，该结构完美复刻了原始凝胶的形态。最终得到的物体密度极高且极为耐用。由于金属盐是在打印步骤之后才引入的，因此，一个水凝胶模型可以转化为多种金属、陶瓷或复合材料。

伊总结道：“我们的工作不仅实现了以便捷、低成本的3D打印工艺制造出高品质金属与陶瓷制品；同时，还凸显了增材制造领域的一种新模式，即材料选择是在3D打印之后进行，而非之前。”

面向先进的三维架构

在该研究中，研究团队用铁、银和铜制作出了名为“螺旋二十四面体”的复杂数学晶格结构，展示了其技术打造高强度复杂结构的能力。为测试材料的强度，他们使用万能试验机对螺旋二十四面体施加递增压力。

博士研究生、第一作者纪一鸣表示：“与采用先前方法生产的材料相比，我们的材料能够承受的压力高出20倍，而收缩率仅为20%，远低于60%至90%的水平。”

在能源、传感器与生物医学领域的应用

科学家们表示，他们的技术对于制造先进的3D结构而言尤为引人注目，这些结构必须同时具备坚固、轻质且复杂的特点，例如传感器、生物医学设备或能量转换与存储设备。例如，金属催化剂对于实现将化学能转化为电能的反应至关重要。其他应用可能还包括具有先进冷却性能的高比表面积金属，可用于能源技术领域。

展望未来，该团队正致力于优化工艺流程，以便行业更易采纳应用，尤其是通过进一步提升材料密度来实现这一目标。另一项重点是提升速度：尽管重复浸渍步骤对于制造高强度材料至关重要，但与其他将聚合物转化为金属的3D打印技术相比，该方法更为耗时。叶（Yee）表示：“我们正通过引入机器人实现这些步骤的自动化，力求缩短整体加工时间。”

参考文献：季一鸣（Yiming Ji）、洪颖（Ying Hong）、德鲁夫·R·班达里（Dhruv R. Bhandari）与达里尔·W·伊（Daryl W. Yee）所著《通过反复灌注沉淀实现低收缩率的陶瓷与金属水凝胶基光固化容器成型技术》，发表于2025年9月24日《先进材料》期刊。 DOI：10.1002/adma.202504951