城大新技術︰轉化3D打印聚合物為強度高100倍的複合碳微點陣超材料

製作高強度卻又具有優異變形承載能力的輕質材料是不少科學家長久以來的夢想，但這些機械特性通常是相互排斥、難以共存。近日，香港城市大學（城大）研究人員便成功發明了一種低成本及易於操作的嶄新方法，可以把常用的3D打印聚合物，轉化為輕量、超堅韌及生物相容的「複合碳微點陣」（hybrid carbon microlattice）材料。這種新材料較一般聚合物強100倍，而且可以製作成任何形狀及大小。研究團隊相信，這創新方法可應用於製作具備特定機械性能的精密零件，例如適用於製作精細的冠狀動脈支架及醫療用的人體植入物，應用前景廣闊。

 

超材料（metamaterials）是指透過人工設計、從而擁有天然材料中沒有的特性的特殊材料。其中，3D立體結構的微點陣超材料，便既有輕質結構設計的優點，又同時維持其組成材料的固有特性。要製作這些結構複雜的微點陣超材料，通常要先進精密的生產技術例如「積層製造」，即俗稱的3D打印技術，但目前可用於高精密度3D打印的材料卻極為有限。

負責帶領這項研究的城大機械工程學系和材料科學及工程學系的陸洋教授說：「3D打印正逐漸成為常用技術，用作製造具有獨特和可調校特性而又幾何構造複雜的組件。不過，堅固而強韌的架構組件，通常需要使用金屬或合金進行3D打印，惟商用的金屬3D打印機和其原材料成本高昂，且精度有限，較難廣泛應用。聚合物相對廉價，但缺點是它在機械性能上通常缺乏強度或韌性。可喜的是，我們找到了一種嶄新的方法，只需在適當的條件下加熱，就可以將這些可精密3D打印的光固化聚合物，轉化成可與金屬和合金媲美的超堅韌3D結構。」

既能提升材料強度又不犠牲延展性的新方法

一直以來，提高3D打印聚合物強度的最有效方法是「熱解」（pyrolysis），其原理是透過熱處理，把聚合物加熱及轉化為堅硬的純碳材料。然而，這個過程會令被加熱的聚合物失去了幾乎所有原有的變形能力，結果製造出像玻璃一樣高強、高剛度但極脆的材料，如同玻璃；而其他增加聚合物強度的方法，則通常會導致它們的延展性受損，同樣限制了材料的應用。

香港城大的研究團隊近日便研究出一種神奇的熱解新方法。團隊通過仔細控制加熱速率、溫度、持續時間和氣體環境，只需一步即可大幅度地提高光固化3D打印聚合物微點陣的剛度、強度和延展性。新加熱方法成功把聚合物轉化為與超強韌的三維結構，強度提高了100倍，塑性也提高了一倍以上。這一發現完全打破了科學界對熱解材料的傳統看法，對輕質、強韌且易於使用的機械超材料的開發將產生深遠的影響。香港城大團隊的研究成果已於科學雜誌《Matter》上發表，標題為〈Lightweight, Ultra-tough 3D Architected Hybrid Carbon Microlattices〉。

 

在實驗過程中，研究人員發現只有當聚合物鏈通過緩慢加熱達至「部分碳化」時，才能同時提高強度和延展性。在這種情況下，聚合物鏈不會完全轉化為熱解碳，遂產生一種混合材料「複合碳微點陣」。這超材料內部有鬆散交織的聚合物鍊和碳碎片協同共存，其中碳碎片成為了強化物料的增強劑，聚合物鏈則可防止複合材料碎片的斷裂。

研究亦顯示，若要獲得最佳的強度及延展性，聚合物與碳碎片的比例至關重要。因為假若碳碎片太多，材料就會變得過脆；如果碳碎片太少，材料就會缺乏強度。在實驗過程中，團隊成功創造了一種經過最適度優化的碳化聚合物微點陣，若與原始聚合物微點陣相比，其強度大幅提高了 100 倍以上，延展性也增加了一倍以上。

 機械性能以外的提升

除了卓越的機械性能之外，研究團隊還發現這些「複合碳」微點陣與原始的聚合物相比，具有更優秀的生物相容性。通過細胞毒性和細胞行為監測實驗，他們證明了在複合碳微點陣材料上培養的細胞，比在聚合物微點陣上培養的細胞擁有更佳的存活能力。這意味著，部分碳化的複合碳點陣材料的優勢，可能並非局限於機械性能，而是同時擁有應用於其他多功能領域的潛力。

陸教授補充說︰「我們提供了一種低成本、簡單且可擴展的途徑，去製造幾乎任何形狀的輕質、堅固和可延展的機械超材料。」他相信，這嶄新方法可應用於其他種類的功能性聚合物，而這些複合熱解碳超材料在幾何結構上的靈活性，令它們可以按不同應用場景需要而度身訂製其機械性能，能夠應用於生物醫學支架、微型無人飛行器、能量收集和儲存設備等等不同範疇。

_{上圖顯示局部碳化的複合碳微點陣結構與原本聚合物結構相比的機械特性。圖中的比例尺長度為2毫米。（視頻來源：Surjadi, James et al., / doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010）}

上述論文的第一作者為香港城大機械工程學系博士後 James Utama Surjadi 博士，通訊作者為陸教授。合作者包括香港城大機械工程學系王鑽開教授和生物醫學工程學系副教授林曉維博士。研究項目獲香港城大、香港高等研究院、深圳市科技創新委員會和國家自然科學基金的支持。