5月17日，《自然·通訊》(Nature Communications)在線刊發了華中科技大學化學與化工學院解孝林、彭海炎團隊的最新研究成果“基于香豆素酮光氧化的光聚合反應及高效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)，在光聚合領域取得的又一重要研究進展。
光聚合反應在全息存儲、3D打印等前沿領域應用廣泛，關鍵科學問題在于反應機理以及反應動力學的瞬時控制和空間調控。團隊從光引發體系著手，系統研究了香豆素酮等光敏劑的光還原和光氧化反應機理，進而高效調控了光聚合反應動力學。在前期工作中，團隊發現香豆素酮、熒光素衍生物經過胺類化合物光還原時，同時產生具有引發聚合功能的自由基和具有阻聚功能的自由基，提出了"光引發阻聚劑(photoinitibitor)"新概念。通過這兩種自由基的競爭與協同效應有效調控了光聚合反應動力學，實現了彩色全息圖像的存儲及其與熒光圖像的正交存儲和協同溫敏響應。該團隊進一步研究了香豆素酮的光氧化反應，發現香豆素酮被三嗪化合物光氧化后生成脫乙基產物，因此在可見光波段保持了較強的光吸收。利用這一特點，成功抑制了3D打印過程中的側向光聚合，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，實現了復雜結構的高效打印 (圖1)。
圖1. 基于香豆素酮光氧化反應的3D打印: (a) 香豆素酮光氧化和光還原的主要反應產物；(b) 3D打印裝置示意圖；(c) 香豆素酮光氧化和光還原反應所對應的3D打印效果對比；(d) 基于香豆素酮光氧化反應的3D打印實物圖.
3D打印是在計算機輔助設計下構建三維實物的增材制造方法，不僅可以制備傳統方法難以獲得的復雜結構，而且還能夠根據個性化需求在所打印的結構上集成特定的功能，因此被譽為將帶來“第三次工業革命”的新技術。然而，在基于光聚合反應的3D打印中，側向光聚合難以避免，導致打印分辨率不高。為了抑制側向光聚合，通常是在打印光敏樹脂中添加不參與光反應的光吸收劑(如蘇丹橙G、蘇丹I、廷納芬171等)，但同時也顯著降低體系的能量利用效率和打印速度。該團隊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、浙江大學謝濤教授、我校李忠安教授、汕頭大學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登峰計劃、國家自然科學基金面上項目(51773073、52073108)及中央高校基本科研業務費專項資金(2019kfyRCPY089)資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23170-4
