机械工程师谢尔文·福罗伊和莫森·哈比比在一池液体上煞费苦心地操纵着一根微小的超声波棒，这时他们第一次看到一个冰柱形状出现并凝固。两人尖叫得如此之大，以至于他们在蒙特利尔康考迪亚大学大厅里的同事都能听到他们的声音。“好吧，如果他们没有因为 COVID 而在家，他们会听到我们的声音，”Foroughi 说。尽管如此，一个快速的视频通话还是让研究人员分享了他们的兴奋之情：经过几个月的努力，他们通过将液体暴露在通过实心墙传输的聚焦声波场中，3D打印了一个固体物体。
Concordia团队的新型“直声打印”技术是第一个使用来自屏障后面的声波创建坚固结构的技术。尽管要实现商业可行性还有很长的路要走，但研究人员认为，他们的远程控制3D打印为无数可能性打开了大门。他们说，它有可能在人体内实现微创组织工程和生物植入物修复。它还可以支持其他难以进入的地方的工业维修，例如飞机机身内部。
大多数商业形式的3D打印都涉及通过喷嘴挤出流体材料，并逐层硬化以形成计算机绘制的结构。硬化步骤是关键，它依赖于光或热形式的能量。流体产生化学键并因此固化的能力受每个分子接收的能量控制，而传输足够的能量通常需要能量源和材料之间的直接、高度集中的接触。
Concordia团队，包括该大学从事微机电系统设计的机械工程教授Muthukumaran Packirisamy，有另一个想法。“我们想在光线或热量无法到达的地方进行3D打印，”当时在该大学担任博士后研究员的Habibi说。该团队意识到，声波提供了一种快速聚焦和操纵能量的方法，而无需直接接触液体材料。“这是我们想要填补的空白，”哈比比说。
使用超声波在室温液体中引发化学反应本身并不是什么新鲜事。声化学领域及其应用于 1980 年代在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校成熟起来，依赖于一种称为声空化的现象。当超声波振动在流体中产生微小的气泡或空腔时，就会发生这种情况。当这些气泡坍塌时，它们内部的蒸气会产生巨大的温度和压力;这适用于微小的局部点的快速加热。Concordia团队试图释放声化学的力量，作为一种非常规的方式来打印传统材料，以及那些不可能用典型能源打印的材料。“在短短皮秒内产生的这些难以想象的温度和压力为瞬时打印创造了完美的条件，”Habibi说。
在2022年发布在《自然通讯》上的实验中，研究人员用一种普通聚合物与固化剂混合填充了一个圆柱形、不透明的外壳室。他们将腔室浸没在水箱中，水箱作为声波传播到腔室中的介质。然后，使用安装在计算机控制的运动操纵器上的生物医学超声换能器，科学家们沿着18毫米深的计算路径追踪超声束的焦点，进入液态聚合物。沿着换能器的路径，液体中开始出现微小的气泡，凝固的材料很快随之而来。在尝试了超声频率、液体粘度和其他参数的多种组合后，该团队最终成功地使用这种方法在液浴中打印出枫叶形状、七齿齿轮和蜂窝结构。然后，研究人员使用各种聚合物和陶瓷重复了这些实验，并在去年10月的加拿大声学协会年会上展示了他们的结果。
“使用声音制造是一个令人难以置信的创新想法，我很高兴看到它，”UIUC教授William King说，他专注于先进材料和制造，纳米技术和传热，没有参与这项新研究。他说，超声波方法为快速生产复杂的三维几何形状提供了有趣的可能性，而其他制造工艺可能无法做到这一点。不过，他指出，现在主流的3D打印工艺首先在一两个利基领域找到了立足点，从而取得了成功。“我期待看到基于声音的打印是否能找到成功的必要应用，”King 补充道。
