三维（3D）超弹性可压缩回弹材料在压力传感器、能量存储等诸多领域展示出广阔的应用前景。在众多的3D结构技术中，直写成型3D打印技术不但能制造复杂的印刷结构，同时可满足工业化需求。但是，3D打印成型更关注于材料的轻质和高强特性，弹性性能往往不佳。除了少量的石墨烯3D打印材料展示了超弹性性能外，其他材料鲜有涉及。因此，如何实现广泛3D打印材料的可持续和高性能设计和拓展，具有重要的研究意义和实际应用价值。

  中国林科院木材所与加拿大不列颠哥伦比亚大学姜锋教授团队巧妙的利用3D打印的结构设计和CaCl₂的吸湿性来实现纳米纤维素打印材料的超弹性，吸湿和离子导电性能。首先，采用直写成型3D打印技术引入具有层级结构的宏观和微观多孔结构；随后，将CaCl₂引入到3D打印的纳米纤维素材料中，不但可以实现纤维素表面羧酸基团的交联，形成稳定为坚固的网络结构，而且通过调节CaCl₂的表面吸附含量，可以实现对不同湿度下空气中水分子的吸附，从而塑化纤维素分子链，产生弹性和柔韧性。这种3D打印的纳米纤维素材料可以从70%的压缩形变中完全恢复，并承受500次的压缩循环。该材料具有良好的离子导电性能，应力敏感度达到0.337 kP^-1，有望应用于压力传感器、能量存储等相关领域。该工作以“Superelastic, Hygroscopic, and Ionic Conducting Cellulose Nanofibril Monoliths by 3D Printing” 为题发表在ACS Nano上（2021，DOI：10.1021/acsnano.0c10577）。

图一 纳米纤维素材料3D打印的示意图及超弹性、吸湿性和离子导电性能作用机理

图二 可3D打印纳米纤维素原料的流变性能和打印材料的体积、密度、吸水率和灰分产率

图三 纳米纤维素3D打印材料的力学性能

图四 纳米纤维素3D打印材料的表观形貌、物化特征和吸湿性特征

  首先，作者通过真空干燥调节纳米纤维素的浓度，确定可打印密度参数，并通过调整不同打印密度，实现优异的3D打印性能。0.5M的CaCl₂浓度可以低密度3D打印材料的100%压缩回弹，因此，随着3D打印的浓度和纤维素的浓度的提升，吸湿性盐含量调整，可实现不同打印材料的超弹压缩回弹。除了可调控的材料超弹性和吸湿性，纳米纤维素3D打印材料具有优良的压敏性能。

图五 可调整的3D打印材料弹性性能和离子导电性能

  论文第一作者是中国林业科学研究院木材工业研究所助理研究员陈媛博士，通讯作者为加拿大不列颠哥伦比亚大学林学院姜锋教授。研究工作得到国家自然科学基金、加拿大首席研究项目、加拿大自然科学和工程研究理事会、加拿大创新基金会-约翰·埃文斯领导人基金的资助。

  论文信息：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.

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c10577