维度网讯，瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）的研究人员开发出一种兼具高抗断裂性与高抗疲劳性的3D可打印弹性体，解决了此前限制软材料在机器人、可穿戴电子和生物医学设备中应用的关键权衡问题。
该研究由软材料实验室（Soft Materials Laboratory）主导，发表于《科学进展》（Science Advances）。研究显示，性能最优的版本——名为双网络颗粒弹性体（double network granular elastomers, DNGEs）——其断裂韧性比化学成分相同的传统单网络和本体双网络弹性体高出15倍，抗疲劳性高出3倍。
DNGEs的结构由刚性弹性体微粒通过较软的第二聚合物网络连接而成，研究人员最初设计这种结构是为了使材料可作为3D打印墨水挤出，并具备精细可控的机械性能。
包括通讯作者Esther Amstad在内的团队发现，这种架构还使材料能够反复耗散机械能而不积累永久性损伤。研究指出，这种组合非常罕见，通常抗断裂的弹性体会在反复应力下退化，而抗疲劳的弹性体则易在过度拉伸时断裂。
EPFL软材料实验室主任Amstad表示，最初的焦点是改善可加工性，但一旦形成颗粒结构，发现这些材料也非常坚韧。她解释，这种韧性很大程度上来源于重复的能量耗散机制，材料可以反复吸收能量而不会不可逆地断裂。
当拉伸时，DNGEs将机械应变从较硬的微粒转移到它们之间较软的间隙区域，在那里聚合物链可以滑动和重新排列以耗散能量，而非不可逆地断裂。Amstad解释，本质上两种不同的网络——一种由颗粒弹性体组成，另一种由软弹性体组成——在它们之间分担机械应变，使材料整体更强。研究还指出，颗粒结构迫使裂纹通过较软的间隙区域沿蜿蜒路径而非直线路径生长，从而减缓其生长并延迟失效。
研究人员利用该材料的可打印性，通过3D打印制造了局部成分变化的复合材料，包括纤维增强结构和受贻贝足丝纤维启发的核壳设计，兼具刚度与通常仅在较软配方中才有的韧性和抗疲劳性。这些墨水使用商用3D打印机挤出。
团队目前正致力于从可生物降解和回收材料中配制弹性体。Amstad表示，目标是在不影响力学性能的前提下采用更可持续的材料，通过扩大可使用的材料范围，不仅可以减少DNGEs的环境足迹，还能让任何拥有商用3D打印机的实验室更容易获得它们。
