導(dǎo)讀：剛剛過(guò)去的一個(gè)月內(nèi)，3D打印領(lǐng)域在國(guó)際頂尖期刊《Nature》雜志發(fā)表兩篇論文，在另一個(gè)頂尖期刊《Science》雜志上也發(fā)了一篇。

2026年1月31日，南極熊獲悉，Sandia National Laboratories 聯(lián)合多所高校在頂級(jí)期刊《Science》 上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，推出名為 CRAFT 的新型3D打印技術(shù)。 科學(xué)家們巧妙地利用光照強(qiáng)度的變化，在微觀層面精準(zhǔn)操控?zé)崴苄运芰系姆肿优帕校?/strong> 成功打破了傳統(tǒng)制造中材料“非軟即硬”的單一屬性限制，為未來(lái)軟體機(jī)器人、智能護(hù)具及高性能減震材料的制造開辟了前所未有的路徑。

研究背景

聚乙烯等半結(jié)晶熱塑性塑料占據(jù)了全球約30%的塑料市場(chǎng)。這類材料有一個(gè)核心特性：結(jié)晶度決定材料性質(zhì)。高結(jié)晶度讓材料堅(jiān)硬強(qiáng)韌（如高密度聚乙烯 HDPE），低結(jié)晶度讓材料柔軟易延展（如低密度聚乙烯 LDPE）。

當(dāng)下的制造策略，無(wú)論是傳統(tǒng)的注塑成型，還是新興的3D打印，往往只能制造出屬性單一的物體。一旦材料選定，打印出來(lái)的成品要么整體是硬的，要么整體是軟的。想要在一個(gè)連續(xù)的物體內(nèi)部，像畫素描一樣精準(zhǔn)控制哪里硬、哪里軟，一直是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

CRAFT技術(shù)：光影魔術(shù)手

為了解決這一難題，來(lái)自 Sandia National Laboratories 和 The University of Texas at Austin 的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種全新的光基制造方法，命名為 CRAFT （Lithographic Crystallinity Regulation in Additive Fabrication of Thermoplastics，熱塑性塑料增材制造中的光刻結(jié)晶度調(diào)節(jié)）。

這項(xiàng)技術(shù)的意義在于，它徹底改變了對(duì)3D打印材料屬性的控制方式。 研究人員不再需要更換不同的墨水或通過(guò)復(fù)雜的物理拼接來(lái)獲得不同的機(jī)械性能。 他們 只需要調(diào)節(jié)打印時(shí)的光照強(qiáng)度，就能在微觀層面“指揮”分子的排列方式 。

△通過(guò)光照強(qiáng)度控制聚環(huán)辛烯 (pCOE) 的立體化學(xué)和結(jié)晶度百分比：(A) 示意圖：展示了利用光引發(fā)開環(huán)易位聚合 (photoROMP) 系統(tǒng)，偶然發(fā)現(xiàn)光照可以控制 pCOE 的結(jié)晶度 和立體化學(xué)結(jié)構(gòu)。(B) 代表性光流變行為：COE 樹脂在經(jīng)歷最初 30 秒的黑暗期后，暴露于 8 到 128 mW cm?2 范圍的連續(xù)光照下。圖中出現(xiàn)的兩個(gè)模量平臺(tái)期分別歸因于材料的初始固化和隨后的結(jié)晶過(guò)程。(C) 差示掃描量熱 (DSC) 曲線：展示了在不同光照強(qiáng)度下固化的 pCOE 樣品的熱學(xué)性質(zhì)。所有光照均使用中心波長(zhǎng)為 365 nm 的 LED 進(jìn)行。

光照強(qiáng)弱決定分子命運(yùn)

研究團(tuán)隊(duì)使用一種名為 photoROMP（光引發(fā)開環(huán)易位聚合）的化學(xué)反應(yīng)體系，并選用順式環(huán)辛烯（COE）作為單體。其中的科學(xué)原理非常巧妙： 光照劑量直接控制聚合物的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)。

? 低強(qiáng)度光照 ：化學(xué)反應(yīng)較慢，分子鏈有足夠的時(shí)間和自由度整齊排列，形成高結(jié)晶度的區(qū)域，材料表現(xiàn)出類似 HDPE 的剛性和強(qiáng)度。

? 高強(qiáng)度光照 ：反應(yīng)迅速，分子鏈來(lái)不及整齊堆疊就被“凍結(jié)”在混亂狀態(tài)，形成低結(jié)晶度甚至無(wú)定形的區(qū)域，材料則表現(xiàn)出類似 LDPE 的柔軟和延展性。

這一發(fā)現(xiàn)表明，利用現(xiàn)有的灰度光刻3D打印機(jī)（DLP）， 通過(guò)投射不同灰度的圖案，就能在體素（3D像素）級(jí)別上精準(zhǔn)調(diào)控材料的光學(xué)和機(jī)械性能 。

△光編碼立體控制的機(jī)理：(A) 簡(jiǎn)化機(jī)理示意圖：闡述了光照強(qiáng)度如何控制最終聚合物的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)。(B) 轉(zhuǎn)化率與反式含量演變：COE 反應(yīng)混合物在連續(xù)暴露于高強(qiáng)度 (168 mW cm?2) 或低強(qiáng)度 (11 mW cm?2) 光照 2 小時(shí)期間，其轉(zhuǎn)化率和反式聚環(huán)辛烯含量隨時(shí)間的變化。(C) 脈沖光照實(shí)驗(yàn)：COE 反應(yīng)混合物在暴露于 10 秒的高強(qiáng)度或低強(qiáng)度光脈沖后，轉(zhuǎn)化率和反式含量的演變過(guò)程。(D) 分子量演變 (SEC 曲線)：展示了在使用 10 或 100 mW cm?2 光照 20 秒后，即刻、3 小時(shí)和 72 小時(shí)的分子量和分散度的變化。

從硬殼海龜?shù)阶兩埥Y(jié)構(gòu)

研究人員打印了一系列復(fù)雜的演示樣品，證明了該技術(shù)：

△結(jié)晶度的灰度圖案化

?研究人員制造了一只微型海龜，海龜?shù)谋硽げ糠謭?jiān)硬（高結(jié)晶度），而身體和四肢部分則柔軟有彈性（低結(jié)晶度），整個(gè)結(jié)構(gòu)是使用同一種樹脂原料一次性打印完成的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)改變光照強(qiáng)度，材料的楊氏模量可以發(fā)生跨越式的變化。

?團(tuán)隊(duì)印出了具有“結(jié)構(gòu)色”效果的蒙娜麗莎像，利用結(jié)晶度不同導(dǎo)致的光學(xué)透明度差異來(lái)呈現(xiàn)圖像。

?團(tuán)隊(duì)展示了名為“Bouligand”（旋轉(zhuǎn)堆疊的層狀結(jié)構(gòu)）的仿生結(jié)構(gòu)（模擬皮皮蝦的強(qiáng)韌外殼），通過(guò)交替打印硬層和軟層，顯著提升了材料的能量耗散能力和抗沖擊性能。

△利用光刻 CRAFT 技術(shù)進(jìn)行多材料 3D 打印

未來(lái)展望：智能材料的新篇章

這項(xiàng)名為 CRAFT 的 3D 打印技術(shù)，通過(guò)光照強(qiáng)度精準(zhǔn)調(diào)控單一材料的結(jié)晶度，實(shí)現(xiàn)了從硬質(zhì)塑料到軟彈橡膠的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，并成功制造出具有復(fù)雜力學(xué)性能的仿生結(jié)構(gòu)（如海龜殼、皮皮蝦結(jié)構(gòu)）。此技術(shù)突破了傳統(tǒng)多材料打印的界面結(jié)合難題，未來(lái)有望在軟體機(jī)器人、個(gè)性化醫(yī)療護(hù)具及高性能減震材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，為單材多性制造開辟了新路徑。