史玉升教授&吕坚院士团队：3D打印微晶格超材料！实现突破性的结构-功能一体化

2024年3月11日

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3D打印技术的重要作用之一，是制造那些能够提高传统工业设备工作效率的相关部件。近年来，关于具有非常规特性的超材料的研究越发广泛，可以从微观尺度到宏观尺度通过灵活设计来改变物理性质，对工业领域显示出强大的吸引力。得益于增材制造技术的发展，高度复杂的微晶格超材料的制造得以实现。

微晶格超材料的几何基础源自对原子晶格的研究，这些原子晶格由具有连接支柱和定制孔的互连单元周期性排列。在微晶格超材料中，支柱决定机械强度，而孔径分布影响流体/气体传输。因此，它们广泛应用于需要稳定和高通量运输调节的机械工程和生物/化学/环境领域。微晶格超材料已应用于人体植入物的设计，以模拟人体骨骼的刚度和物质结构，同时支持人体运动、营养运输和新陈代谢。此外，微晶格合理的孔隙分布设计可以调节热传输，使其可以用作高效的隔热装置。微晶格超材料的多物理特性（如机械和传输特性）的可控性允许功能集成、灵活的设计和特性可调性。因此，其可用于抵抗复杂负载环境，也可用于高流量水净化系统。

然而，传统周期性微晶格的几何特征是高度耦合和相互约束的，这限制了其物理性质的可调性。高机械强度通常对应于较少的孔隙分布，因此限制了传输，从而抑制了可能的设计和可调范围。如今，仿生学允许微晶格超材料通过模仿自然形状、性能和功能来实现卓越的物理特性。例如，将竹子状空心支柱元素引入微晶格可以大大提高比刚度和比强度，以接近设计极限；设计多孔莲藕状微晶格可以提供优异的骨再生和修复能力，满足种植体的强度和运输要求。

3D打印技术参考注意到，华中科技大学史玉升教授团队和香港城市大学吕坚院士等团队联合，提出了一种受花旗松启发的创新超材料设计。花旗松可以长到100 m高，但直径仅约1.5 m，这种超高但并不粗壮的树需要相当大的强度来抵御强风，以及具有允许水分和养分从根部到达最顶端的养料传输机制。微观结构分析表明，支持树木强劲生长的关键因素在于源自导管和纤维的交错/双峰孔隙分布模式。棋盘孔有利于利用有限的体积空间进行物质传输，而交错模式类似于三明治结构以提高强度，从而解耦机械传输性能，并实现机械传输性能的协同改进和优异组合，这在很大程度上不同于传统周期性微晶格中的规则均匀孔隙。

受花旗松树双峰孔径分布的启发，研究团队采用体心立方（BCC）微晶格重叠策略构建双峰孔隙。重叠微晶格结构的特点是大小孔隙区域交错分布。通过叠加微晶格并改变内部孔隙区域的空间形状，这种受木材启发的重叠设计策略可以大大增加超材料设计的自由度以及机械和传输性能的可调性。研究团队基于此采用SLM工艺3D打印制造了316L不锈钢微晶格超材料，来满足污水处理系统对支撑框架的尺寸、精度、强度、传输和催化剂粘附能力的综合要求。相关研究成果，以“Wood-inspired metamaterial catalyst for robust and high-throughput water purification”发表在顶尖期刊《Nature Communications》上。

史玉升教授&吕坚院士团队：3D打印微晶格超材料！实现突破性的结构-功能一体化

https://www.nature.com/articles/s41467-024-46337-1

3D打印过程结束后，研究人员通过电化学沉积工艺在316L不锈钢表面沉积一层钴（Co），从而获得高效的污水处理系统。该系统集成了高效的Co/SS催化剂和受木材启发的结构优势，从而具有优化的稳定性和高流通量。通过进一步的优化，研究人员实现了突破性的结构-功能一体化——“超材料催化剂”，其具有新兴超材料概念突破所带来的物理-化学特性。

Co/SS基超材料催化剂在机械-传输-催化性能可调性方面具有卓越的性能和更大的自由度。超材料催化赋予了材料在水净化应用中的机械和传输性能的结构-功能集成，以及高效协同催化性能。为了全面展示木质结构超材料催化剂的高强度和良好的水净化传输能力，研究人员构建了一系列具有不同支柱直径（0.30、0.35和0.40 mm）和重叠率（0、30、50和70%）的316L不锈钢微晶格结构。重叠设计策略旨在增加因节点数量增加和支柱内部约束而产生的相对密度，这可以显著提高结构刚度，有效承受流动冲击。同时，木质双峰孔旨在延缓废水的流速，从而增加物质输送过程中的液固接触时间，实现高效催化净化。基于木材结构启发的重叠设计增加了单位体积的表面积，从而增加了流动摩擦。

史玉升教授&吕坚院士团队：3D打印微晶格超材料！实现突破性的结构-功能一体化

受木材启发的超材料催化剂

史玉升教授&吕坚院士团队：3D打印微晶格超材料！实现突破性的结构-功能一体化

金属3D打印传统微晶格和木质超材料的形态结构和机械性能

史玉升教授&吕坚院士团队：3D打印微晶格超材料！实现突破性的结构-功能一体化仿木超材料催化剂的水净化能力和催化机理

史玉升教授&吕坚院士团队：3D打印微晶格超材料！实现突破性的结构-功能一体化受木材启发的超材料催化剂的稳健性、可设计性和适用性

实验结果证明了仿木超材料催化剂的实用性，受木材启发的超材料催化剂的刚度、传输性能和催化能力是可调的，这表明通过超材料结构设计和3D打印可以轻松实现净水系统的结构功能集成制造。微晶格或多孔结构具有很强的结构可设计性和可打印性，同时在3D打印组件制造中金属基材料也表现出显著的抵抗机械破坏的特性。与微晶格/多孔结构和合成催化剂相比，金属3D打印和电化学沉积相结合的工艺，通过简单的制备而成，集结构强度和功能催化双重功能于一体，具有较强的可制造性、较高的宏观和微观结构可设计性、较强的几何和性能可控性，更高强度和高通量的净水能力。

总的来说，史玉升教授和吕坚院士团队不仅开发出了一款超材料催化剂，更提出了一种新的制造手段。

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