这篇论文的研究内容由瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的Alexander Groetsch教授及其团队完成，研究成果发表在《Small》期刊上。研究的核心在于开发一种可用于微尺度3D打印的纳米复合材料，该材料以可再生的纤维素纳米晶体（CNC）为增强相，旨在推动可持续材料的应用。
随着对功能性材料需求的增加，寻找新型材料系统的努力愈发重要。尤其是在生物医学工程、微电子学和能源吸收设备等领域，开发具有优异性能的可持续材料显得尤为迫切。传统的合成材料往往难以满足这些需求，因此，研究者们开始关注自然界中存在的层次结构材料，如木材和骨骼，这些材料在微观和纳米尺度上展现出优异的力学性能和轻量化特性。为了创造这些小尺度的结构，研究团队采用了双光子聚合（2PP）技术，这是一种能够在超高分辨率下逐体素打印的先进制造方法。该技术允许在激光的焦点处进行严格的聚合，从而在单体膜内打印3D结构，而不会改变周围材料。
在本研究中，研究团队首先制备了以IP-S为基础的光敏树脂，并将其与CNC混合，形成了两种不同浓度（4.5 wt%和13.0 wt%）的纳米复合材料。通过将这些复合材料打印成微柱、六边形和立方微格子等复杂结构，研究者们评估了不同CNC含量对材料性能的影响。研究发现，CNC的加入显著提高了材料的刚度和强度，尤其是在4.5 wt%的CNC浓度下，材料的刚度提高了100%。此外，研究还发现，随着CNC含量的增加，材料的聚合度和力学性能也呈现出一定的变化趋势。
尽管研究取得了一系列积极成果，但在研究过程中也面临了一些挑战。首先，如何在保持材料生物相容性的同时，优化CNC的分散性和聚合度，是一个重要的技术难点。研究者们选择使用未经过化学改性的CNC，以避免对材料的生物相容性和可持续性产生负面影响。然而，这也导致了在高CNC含量下，材料的分散性和打印质量受到影响。其次，激光功率的变化对材料的聚合度和力学性能有显著影响。研究发现，随着激光功率的增加，材料的聚合度虽然提高，但在高CNC含量下，材料的质量却有所下降。这种现象与CNC的散射效应有关，研究者们需要在激光功率和材料性能之间找到一个平衡点，以确保打印质量和材料性能的最优化。
本研究的成果为微尺度3D打印技术的发展提供了新的思路，尤其是在生物医学和微电子领域的应用潜力巨大。未来，研究团队计划进一步探索CNC的取向控制，以提高复合材料的力学性能。此外，研究者们还希望通过优化打印参数和材料配方，进一步降低打印结构的特征尺寸，以满足更高精度的应用需求。值得一提的是，研究中使用的Nanoscribe设备Photonic Professional GT为实现高分辨率的打印提供了重要支持，使得研究者能够在微米尺度上精确控制材料的结构和性能。
总的来说，这项研究不仅推动了可持续材料的应用，也为微尺度3D打印技术的发展奠定了基础。随着对新材料和新技术的不断探索，未来在生物医学、微电子和能源吸收等领域，基于CNC的纳米复合材料有望发挥更大的作用。研究者们的努力为实现更高效、更环保的材料制造提供了新的可能性，预示着在未来的应用中，这些新型材料将会在多个领域展现出其独特的优势和潜力。
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https://doi.org/10.1002/smll.202202470
