研究背景
随着三维（3D）打印技术的迅猛发展，其在制造业中的应用日益广泛，尤其是其在访问几何复杂定制产品方面所展示的卓越自由度引起了人们的关注。然而，尽管其潜力巨大，但目前面临着制造效率低和产品质量不足的挑战。具体而言，传统的光敏聚合物在快速打印过程中常常牺牲了材料的机械性能，这主要是由于需要快速光固化以实现高效率的数字光处理（DLP）打印，而这种快速固化限制了分子设计的自由度，从而影响了材料的最终强度和耐久性。为了解决这一问题，浙江大学谢涛教授、吴晶军研究员团队在“Nature”期刊上发表了题为“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness”的最新论文。他们致力于开发新的化学策略，旨在通过动态共价键的引入，实现光固化材料的高机械性能。这种策略的核心在于设计一种含有动态阻碍尿素和侧链羧基的二甲基丙烯酸二酯DLP前体，通过精确的分子设计和化学合成，使得材料在快速光固化的同时，能够形成复杂的分子结构，包括分级氢键和微相分离结构。这些结构特征不仅提高了材料的机械强度，还增强了其韧性和耐久性，使其拉伸强度达到94.6 MPa，韧性达到310.4 MJ m-3，远远超过了传统3D打印材料的性能。
科学亮点
（1）实验首次采用动态共价键化学设计，在3D打印中成功制备出具有卓越机械性能的弹性体。通过将动态阻碍尿素和侧链羧基引入二甲基丙烯酸二酯DLP前体的主链，实现了网络拓扑的动态重配置。（2）实验结果显示，所制备的弹性体具有显著的拉伸强度（94.6 MPa）和韧性（310.4 MJ m-3），远超过目前任何3D打印弹性体的性能。这一成就归因于形成的分级氢键（特别是酰胺氢键）、微相分离和相互渗透结构的协同作用，这些机制显著提升了材料的机械性能。（3）该研究克服了传统光固化3D打印中分子设计自由度受限的问题，为使用3D打印进行大规模制造开辟了新的可能性，展示了动态共价化学在解决打印特性与材料性能冲突方面的潜力。
图文解读
科学启迪
本文通过动态共价键化学设计，克服了传统光固化3D打印中分子设计自由度受限的难题，成功制备出具有卓越机械性能的弹性体。这一研究展示了在快速光聚合条件下，如何利用动态阻碍尿素和侧链羧基等功能基团，实现网络结构的动态重配置。通过分级氢键的形成、微相分离和相互渗透结构的建立，显著提升了材料的拉伸强度和韧性，远超过传统打印材料的性能表现。这种成功不仅解决了现有材料在3D打印中机械性能与打印特性之间的矛盾，也为未来在汽车、建筑、微流体学、软体机器人等领域的应用提供了新的材料范例。 Fang, Z., Mu, H., Sun, Z. et al. 3D printable elastomers with exceptional strength and toughness. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07588-6
