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  三維（3D）超彈性可壓縮回彈材料在壓力傳感器、能量存儲等諸多領域展示出廣闊的應用前景。在眾多的3D結構技術中，直寫成型3D打印技術不但能制造復雜的印刷結構，同時可滿足工業化需求。但是，3D打印成型更關注于材料的輕質和高強特性，彈性性能往往不佳。除了少量的石墨烯3D打印材料展示了超彈性性能外，其他材料鮮有涉及。因此，如何實現廣泛3D打印材料的可持續和高性能設計和拓展，具有重要的研究意義和實際應用價值。

  中國林科院木材所與加拿大不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授團隊巧妙的利用3D打印的結構設計和CaCl₂的吸濕性來實現納米纖維素打印材料的超彈性，吸濕和離子導電性能。首先，采用直寫成型3D打印技術引入具有層級結構的宏觀和微觀多孔結構；隨后，將CaCl₂引入到3D打印的納米纖維素材料中，不但可以實現纖維素表面羧酸基團的交聯，形成穩定為堅固的網絡結構，而且通過調節CaCl₂的表面吸附含量，可以實現對不同濕度下空氣中水分子的吸附，從而塑化纖維素分子鏈，產生彈性和柔韌性。這種3D打印的納米纖維素材料可以從70%的壓縮形變中完全恢復，并承受500次的壓縮循環。該材料具有良好的離子導電性能，應力敏感度達到0.337 kP^-1，有望應用于壓力傳感器、能量存儲等相關領域。該工作以“Superelastic, Hygroscopic, and Ionic Conducting Cellulose Nanofibril Monoliths by 3D Printing” 為題發表在ACS Nano上（2021，DOI：10.1021/acsnano.0c10577）。

圖一 納米纖維素材料3D打印的示意圖及超彈性、吸濕性和離子導電性能作用機理

圖二 可3D打印納米纖維素原料的流變性能和打印材料的體積、密度、吸水率和灰分產率

圖三 納米纖維素3D打印材料的力學性能

圖四 納米纖維素3D打印材料的表觀形貌、物化特征和吸濕性特征

  首先，作者通過真空干燥調節納米纖維素的濃度，確定可打印密度參數，并通過調整不同打印密度，實現優異的3D打印性能。0.5M的CaCl₂濃度可以低密度3D打印材料的100%壓縮回彈，因此，隨著3D打印的濃度和纖維素的濃度的提升，吸濕性鹽含量調整，可實現不同打印材料的超彈壓縮回彈。除了可調控的材料超彈性和吸濕性，納米纖維素3D打印材料具有優良的壓敏性能。

圖五 可調整的3D打印材料彈性性能和離子導電性能

  論文第一作者是中國林業科學研究院木材工業研究所助理研究員陳媛博士，通訊作者為加拿大不列顛哥倫比亞大學林學院姜鋒教授。研究工作得到國家自然科學基金、加拿大首席研究項目、加拿大自然科學和工程研究理事會、加拿大創新基金會-約翰·埃文斯領導人基金的資助。

  論文信息：Yuan Chen, Zhengyang Yu, Yuhang Ye, Yifan Zhang, Gaiyun Li, Feng Jiang, Superelastic, Hygroscopic, and Ionic Conducting Cellulose Nanofibril Monoliths by 3D Printing. ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c10577.

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c10577