5月17日，《自然·通訊》(Nature Communications)在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院解孝林、彭海炎團(tuán)隊(duì)的最新研究成果“基于香豆素酮光氧化的光聚合反應(yīng)及高效3D打印(Efficient 3D printing via photooxidation of ketocoumarin based photopolymerization. Nat Commun 2021, 12: 2873)”。這是基于前期工作 (Angew Chem Int Ed 2020, 59: 10066; JACS 2020, 142: 6285; Adv Sci 2019, 6: 1900205; JACS 2014, 136: 8855)，在光聚合領(lǐng)域取得的又一重要研究進(jìn)展。

光聚合反應(yīng)在全息存儲(chǔ)、3D打印等前沿領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，關(guān)鍵科學(xué)問題在于反應(yīng)機(jī)理以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的瞬時(shí)控制和空間調(diào)控。團(tuán)隊(duì)從光引發(fā)體系著手，系統(tǒng)研究了香豆素酮等光敏劑的光還原和光氧化反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而高效調(diào)控了光聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在前期工作中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)香豆素酮、熒光素衍生物經(jīng)過胺類化合物光還原時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生具有引發(fā)聚合功能的自由基和具有阻聚功能的自由基，提出了"光引發(fā)阻聚劑(photoinitibitor)"新概念。通過這兩種自由基的競爭與協(xié)同效應(yīng)有效調(diào)控了光聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了彩色全息圖像的存儲(chǔ)及其與熒光圖像的正交存儲(chǔ)和協(xié)同溫敏響應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了香豆素酮的光氧化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)香豆素酮被三嗪化合物光氧化后生成脫乙基產(chǎn)物，因此在可見光波段保持了較強(qiáng)的光吸收。利用這一特點(diǎn)，成功抑制了3D打印過程中的側(cè)向光聚合，在保持高3D打印分辨率(23 μm)的前提下，將打印速度提高了2.1倍(5.1 cm?h^-1)、光能利用效率提高了12倍，解決了3D打印速度與分辨率之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效打印 (圖1)。

圖1. 基于香豆素酮光氧化反應(yīng)的3D打印: (a) 香豆素酮光氧化和光還原的主要反應(yīng)產(chǎn)物；(b) 3D打印裝置示意圖；(c) 香豆素酮光氧化和光還原反應(yīng)所對(duì)應(yīng)的3D打印效果對(duì)比；(d) 基于香豆素酮光氧化反應(yīng)的3D打印實(shí)物圖.

3D打印是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)下構(gòu)建三維實(shí)物的增材制造方法，不僅可以制備傳統(tǒng)方法難以獲得的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而且還能夠根據(jù)個(gè)性化需求在所打印的結(jié)構(gòu)上集成特定的功能，因此被譽(yù)為將帶來“第三次工業(yè)革命”的新技術(shù)。然而，在基于光聚合反應(yīng)的3D打印中，側(cè)向光聚合難以避免，導(dǎo)致打印分辨率不高。為了抑制側(cè)向光聚合，通常是在打印光敏樹脂中添加不參與光反應(yīng)的光吸收劑(如蘇丹橙G、蘇丹I、廷納芬171等)，但同時(shí)也顯著降低體系的能量利用效率和打印速度。該團(tuán)隊(duì)提出的基于香豆素酮光氧化的3D打印新策略，為高效增材制造提供了一種可行的解決方案。

我校為第一完成單位，博士生趙驍宇為第一作者，博士生趙曄、浙江大學(xué)謝濤教授、我校李忠安教授、汕頭大學(xué)李明德教授為共同作者，解孝林教授與彭海炎副教授為通訊作者。該工作得到華中科技大學(xué)登峰計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51773073、52073108)及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2019kfyRCPY089)資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23170-4