我們科研團(tuán)隊(duì)在3D打印超材料領(lǐng)域獲得新進(jìn)展

3月7日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表華中科技大學(xué)材料學(xué)院史玉升教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)的合作研究成果：木材啟發(fā)的超材料催化劑用于穩(wěn)健和高效的水凈化系統(tǒng)(Wood-inspired metamaterial catalyst for robust and high-throughput water purification)。材料學(xué)院博士后（香港城市大學(xué)香江學(xué)者）張磊和材料學(xué)院博士生劉瀚文為論文共同第一作者，材料學(xué)院宋波教授、姚永剛教授及香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士為論文的共同通訊作者。材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該項(xiàng)研究的第一完成單位及第一通訊單位。

持續(xù)的工業(yè)化和其他人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致染料、重金屬和抗生素等有害污染物導(dǎo)致水質(zhì)嚴(yán)重惡化。目前的凈水系統(tǒng)是多過(guò)程且耗時(shí)的，包括物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程，如過(guò)濾、凝聚和脫鹽。物理過(guò)濾和化學(xué)反應(yīng)通常屬于水凈化過(guò)程的兩個(gè)不同階段。目前的工作也分別側(cè)重于催化劑的開(kāi)發(fā)和結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)。由于力學(xué)、運(yùn)輸和催化之間的耦合，很難實(shí)現(xiàn)多性能的協(xié)同改進(jìn)。迫切需要開(kāi)發(fā)功能催化劑和機(jī)械框架的集成設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)別的性能提升。超材料是一種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，可靈活設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)從微觀到宏觀的特殊物理特性。然而，傳統(tǒng)周期超材料的幾何特性是高度耦合和相互約束的，這限制了它們物理性質(zhì)的可調(diào)性。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種受道格拉斯冷杉啟發(fā)的超材料設(shè)計(jì)方法。道格拉斯冷杉最高可長(zhǎng)到328英尺（100米），但直徑要小得多（~1.5米）。這種超高但薄的樹(shù)需要相當(dāng)大的強(qiáng)度來(lái)抵御風(fēng)，并且需要一種機(jī)制來(lái)將水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從根部充分傳輸?shù)巾敹�。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，支持樹(shù)木健壯生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素在于源自導(dǎo)管和纖維的交錯(cuò)/雙峰孔隙分布模式。棋盤(pán)狀孔隙有利于利用有限的體積空間進(jìn)行物質(zhì)傳輸，而交錯(cuò)模式類(lèi)似于三明治結(jié)構(gòu)可提高強(qiáng)度，從而使機(jī)械、傳輸性能解耦，實(shí)現(xiàn)協(xié)同改進(jìn)機(jī)械和傳輸性能。受道格拉斯冷杉雙峰孔徑分布的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)使用體心立方（BCC）微晶格重疊策略來(lái)構(gòu)建雙峰孔，這種以木材為靈感的疊加設(shè)計(jì)策略可以顯著提高超材料設(shè)計(jì)的自由度以及機(jī)械和傳輸特性的可調(diào)性。

為了滿足污水處理系統(tǒng)對(duì)支撐架的尺寸、精度、強(qiáng)度、運(yùn)輸和催化劑粘附能力的綜合要求，團(tuán)隊(duì)采用了一種基于激光選區(qū)熔化（SLM）的3D打印技術(shù)來(lái)制造具有不同桿直徑和重疊率的316L不銹鋼微晶格超材料。團(tuán)隊(duì)通過(guò)電化學(xué)沉積工藝用鈷（Co）修飾鐵（Fe）基超材料的表面，以形成高效的污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了高效的催化劑和木材啟發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)（優(yōu)化的穩(wěn)健性和高通量傳質(zhì)）。因此，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面功能化，這樣一個(gè)突破性的結(jié)構(gòu)-功能一體化跨學(xué)科領(lǐng)域被創(chuàng)造為“超材料催化劑”，結(jié)合了新興超材料概念，突破了傳統(tǒng)材料分離式的物理-化學(xué)特性。相比較于傳統(tǒng)周期微晶格，提出的具有70%重疊率的超材料催化劑的強(qiáng)度提升了3倍，單位體積表面積提升了3倍和歸一化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)提升了4倍。重疊策略和隨后形成的雙峰孔極大地提高了超材料催化劑的穩(wěn)健性。超材料催化劑在機(jī)械-傳輸催化性能可調(diào)性方面具有優(yōu)異的性能和可擴(kuò)展的自由度，賦予了超材料的機(jī)械性能和傳輸性能的結(jié)構(gòu)-功能一體化，以及用于水凈化應(yīng)用的高效協(xié)同催化性能。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿團(tuán)隊(duì)、香江學(xué)者項(xiàng)目資助。

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