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南洋理工大學周琨教授團隊 AM：4D打印兼具光致變色和光熱制動的可重復編輯液晶彈性體
2023-07-20  來源：高分子科技

  液晶彈性體（LCEs）是一類非常有前景的智能軟材料。它可以在多種外界刺激下發(fā)生大幅度的、可逆的、且與其液晶基元取向相關聯(lián)的形狀變化。這種刺激-響應性使LCEs在在智能機器人、生物醫(yī)學、電子學、光學和能源領域顯示出巨大的應用潛力。近年來，4D打印技術的發(fā)展為LCEs的設計和制備解鎖了更多的可能性。相比于傳統(tǒng)的制備技術，4D打印技術，特別是擠出式的墨水直寫（DIW）技術，能夠同時對液晶基元的取向排列和打印件的3D幾何結構進行編程控制，從而有望獲得具有理想的刺激-響應特性的LCEs器件。到目前為止，大多數(shù)4D打印的LCEs都是熱響應的，并且局限于單一而固定的形狀變化特性。為了進一步促進LCEs在實際應用中的自適應性和功能性，開發(fā)具有可重復編程特性且多種可編程物理特性的LCEs是非常有必要且具有挑戰(zhàn)性的。 



  近期，新加坡南洋理工大學周琨教授團隊在《Advanced Materials》期刊上發(fā)表題為“ 4D printing of Reprogrammable Liquid Crystal Elastomers with Synergistic Photochromism and Photo-Actuation”的文章（DOI: 10.1002/adma.202303969）。本文作者開發(fā)了一種可打印的光致變色二氧化鈦納米晶(TiNC)/LCE復合墨水，并利用DIW技術打印了兼具可重復編程的光致變色和光熱制動性能的LCEs（圖1）。利用TiNCs的光致變色特性，所打印的TiNC/LCE復合材料能夠在紫外（UV）輻射下從白色變成黑色，并在氧氣環(huán)境下從黑色可逆地變回白色。在近紅外光（NIR）輻射下，經UV輻照后的黑色區(qū)域能夠呈現(xiàn)出高效的光熱效應，從而實現(xiàn)局域可控的光熱制動行為。通過精確控制結構設計和光照輻射， 4D打印的TiNC/LCE復合材料可以進行整體或局部的編程、擦除和重新編程，以創(chuàng)造多樣化的顏色圖案和復雜3D結構構筑。 


圖1．4D打印的TiNC/LCE復合材料的制備及其可重復編輯的光致變色和光熱制動特性


  如圖2所示，為了獲得良好的打印性和可再編程的響應特性，所開發(fā)的TiNC/LCE墨水需滿足如下要求：（1）TiNCs具備良好的可逆光致變色特性，且在LCE基體中均勻分散；（2）墨水具備顯著的剪切變稀特性、液晶性和可聚合性。 



圖2. TiNCs和TiNC/LCE墨水的物化性能


  如圖3所示，所打印的TiNC/LCE復合材料不僅具有優(yōu)異的本征熱響應性能，還具有非常突出的光響應特性。TiNC/LCE復合材料的光響應特性表現(xiàn)在：（1）可逆的光致變色特性，即在UV或氧氣條件下，樣品顏色能夠可逆地在白色和黑色之間切換；（2）高效的光熱制動能力，即經UV輻照后的黑色樣品的表面溫度能夠快速升高至超過清亮點TNI，隨之產生大幅度的光致變形，所產生的高輸出功足以進行重物抓取與轉移。 


圖3. 4D打印的TiNC/LCE復合材料的熱響應和光響應特性


  基于上述TiNC/LCE復合材料的特點，本文作者通過精確地調控結構設計和光照輻射方式，實現(xiàn)了一系列可再編程的光控顏色圖案化和3D結構構筑，例如條形碼、折紙或剪紙啟發(fā)的復雜結構（圖 4）。這項研究工作展示了4D打印TiNC/LCE復合材料在顏色和形狀兩個性能上的可編程性和可再編程性，為設計和構建具有獨特和可調功能的自適應結構開辟了新道路。所開發(fā)的材料在多功能軟體機器人、偽裝和多級信息存儲等多種先進應用領域有著巨大的潛能。 


圖4. 4D打印的TiNC/LCE復合材料的可在編程的光致變色和光熱制動行為


  團隊介紹：該論文第一作者為新加坡南洋理工大學博士后研究員陳梅博士，通訊作者為新加坡南洋理工大學的周琨教授。文章合著者包括南洋理工大學博士后研究員侯雁北博士、博士生安冉，和佐治亞理工大學齊航教授。周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學數(shù)字制造聯(lián)合實驗室和新加坡3D打印中心，主要研究粉末床熔融、材料擠出成型、立體光固化、定向能量沉積等先進增材制造技術，包括功能聚合物復合材料及高性能新金屬材料研發(fā)、先進結構設計和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學性能表征及其應用等。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202303969

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（責任編輯：xu）
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