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清華大學許華平課題組 Matter：可用于多種基材的模塊化形狀編程方法
2024-01-19  來源：高分子科技

  將二維材料編程為三維結(jié)構(gòu)，由于能兼顧二維狀態(tài)下易于生產(chǎn)與儲存的特性，以及三維狀態(tài)下豐富的結(jié)構(gòu)與功能，正在引發(fā)越來越大的關注。但以往的編程策略一般都需利用3D打印、數(shù)字光處理等復雜設備與高度定制化的方法，一定程度上阻礙了這項技術的普及。因此，開發(fā)出一種組件易于生產(chǎn)，且能避免使用圖案化刺激源進行形狀編程的方法，將能夠大大加速這項技術的應用。


圖1：模塊的形狀編程過程及其組合與功能化


  針對以上的問題，清華大學許華平課題組提出了一種模塊化的形狀編程策略（圖1A），其使用的簡單六邊形模塊易于生產(chǎn)，能避免使用圖案化刺激源以簡化設備，并利用二硒鍵靈敏的光響應性在數(shù)十秒內(nèi)完成高效的編程。文章中揭示的通過形狀設計引導應力圖案的物理規(guī)律具有普適性，且能應用于不同基材以實現(xiàn)致動器、自折疊折紙等應用（圖1B）。相關工作以“Modular 3D shape programming method for multiple substrates”為題發(fā)表在Matter上（Matter, 2024, 7, 1）。文章的第一作者為清華大學博士研究生譚以正，浙江大學劉誠博士為共同通訊。

 

圖2：通過形狀設計使模塊產(chǎn)生指向性應力的機理

 

圖3：通過二硒介導的應力松弛與界面自修復產(chǎn)生可控面外彎曲


圖4：彎曲角度調(diào)控與模塊的簡單組合


  為了提高批量處理模塊的能力，作者創(chuàng)新性地選用了壓縮來輸入預應力，并通過模塊的形狀設計解決了如何在壓縮下產(chǎn)生指向性應力的問題，從而確定了彎曲形變的軸向（圖2）。進一步地，通過二硒鍵與交聯(lián)密度的設計，作者制備了兩種具有應力松弛速率差異的材料，從而在光照下即可同時產(chǎn)生應力錯配（圖3C）與兩種材料之間的界面自修復（圖3G），使得材料發(fā)生朝向六邊形模塊的面外彎曲形變。得益于二硒鍵靈敏的光響應性，模塊化的編程方法最快可在30秒內(nèi)就形成90度的彎曲。僅需對六邊形模塊進行排列組合，即可形成各種三維結(jié)構(gòu)，并可與液晶彈性體、形狀記憶材料等結(jié)合以實現(xiàn)致動器、自折疊折紙等功能。

 

視頻1：與液晶彈性體結(jié)合制備仿生關節(jié)致動器。


 視頻2：與形狀記憶材料結(jié)合制備自折疊折紙。


  該工作是團隊近期關于含硒聚合物的光調(diào)控的最新進展之一。如何將簡單的物理規(guī)律應用到材料的調(diào)控中是開發(fā)新的聚合物編程方法的關鍵，本文通過結(jié)合壓縮下的材料力學與二硒鍵的光響應速率差，開發(fā)出了一種新的模塊化形狀編程策略。揭示的普適性規(guī)律可以被延伸到多種基材以實現(xiàn)不同功能，為新的壓縮介導的形狀編程方法提供了新的思路。在過去的工作中，該團隊展示了如何利用二硒的光響應性以及光的時空分辨率，實現(xiàn)應力在材料平面（Adv. Mater., 2020, 32, 1907569）與厚度（Adv. Mater., 2021, 33, e2105194）上的調(diào)控，從而組合出信息加密、微圖案加工、序列變形等一系列應用，為聚合物的加工與轉(zhuǎn)化開辟了新的道路。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.12.027

  Matter官方提供50天內(nèi)免費下載：https://authors.elsevier.com/c/1iS4q9Cyxd31t9

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（責任編輯：xu）
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