中國科大李木軍團隊 ACS Nano：復(fù)合冷場3D打印液晶彈性體實現(xiàn)近環(huán)境溫度響應(yīng)，智能手環(huán)精準(zhǔn)監(jiān)測心率！
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院及人形機器人研究院的李木軍研究團隊提出一種復(fù)合冷場3D打印技術(shù)，成功制備具有高取向序參數(shù)和多元形變能力的近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體（NAT-LCEs），并基于此開發(fā)了一種具有增強心率監(jiān)測精度的腕帶系統(tǒng)。該技術(shù)促進了軟機器人技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展。成果以"3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation"為題發(fā)表在國際期刊《ACS Nano》上。
近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體（NAT-LCEs）因其在生物兼容設(shè)備、低功耗器件和軟體機器人領(lǐng)域的巨大潛力而備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)制造方法在可編程性（如模塑成型法）或取向序參數(shù)（如直接墨水書寫3D打印法）等方面存在明顯局限。針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出了一種復(fù)合冷場3D打印技術(shù)，成功實現(xiàn)了高性能NAT-LCEs的可編程打印，顯著提升了近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體的取向序參數(shù)，并賦予其復(fù)雜形狀成型和形變能力。
技術(shù)突破亮點
3000%性能飛躍
傳統(tǒng)液晶彈性體需要70℃以上高溫才能變形，嚴(yán)重制約實際應(yīng)用。研究團隊創(chuàng)新性地采用"低溫噴嘴+冷卻平臺"雙冷場調(diào)控：
1.取向序參數(shù)提升3000%（0.013→0.406）
2.實現(xiàn)室溫自發(fā)3D成型與雙向形變
3.開發(fā)出能主動貼合皮膚的智能監(jiān)測腕帶
三大創(chuàng)新突破
1.精準(zhǔn)分子操控：通過5℃低溫打印精確控制與鎖定液晶基元排列
2.智能形變編程：打印結(jié)構(gòu)可隨溫度變化呈現(xiàn)螺旋、鞍形、"USTC"字母等復(fù)雜變形
3.生物兼容應(yīng)用：材料響應(yīng)溫度完全適配人體耐受范圍
圖1：復(fù)合冷場3D打印系統(tǒng)原理
本研究的核心技術(shù)突破在于創(chuàng)新的溫度場調(diào)控系統(tǒng)。通過液冷打印頭（5℃）與半導(dǎo)體冷卻平臺（5℃）協(xié)同作用，在墨水?dāng)D出階段通過低溫維持高粘度促進液晶分子定向排列，在UV固化階段快速散熱避免熱擾動。對比傳統(tǒng)室溫打印圖（D），新方法使液晶基元取向序參數(shù)提升30倍。
圖2. 溫度對NAT-LCE材料性能的調(diào)控規(guī)律
研究團隊系統(tǒng)揭示了溫度-剪切力-材料性能的耦合機制。流變實驗顯示：冷場顯著增強剪切誘導(dǎo)排列效果。通過調(diào)控噴嘴溫度（Tn）與平臺溫度（Tp）組合，可實現(xiàn)從各向同性（Tn=25℃，Tp=25℃）到高度取向（Tn=5℃，Tp=5℃）的精確調(diào)控，對應(yīng)形變應(yīng)變從0%躍升至37.3%，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)編程奠定基礎(chǔ)。
圖3. 可編程多元形變展示
基于溫度響應(yīng)相變特性，打印結(jié)構(gòu)展現(xiàn)多元形變：圓盤狀樣品在室溫下自發(fā)形成馬鞍形（應(yīng)變14%），降溫至10℃曲率增大，加熱至60℃則變?yōu)殄F形；正交排列的雙層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)可逆螺旋變形；網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在20-60℃區(qū)間展示出雙向伸縮特性。這種"環(huán)境自適應(yīng)"特性使其在軟體機器人領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
圖4：梯度性能智能材料制備
通過動態(tài)調(diào)節(jié)打印溫度，實現(xiàn)單件樣品內(nèi)的性能梯度分布。以"USTC"字母結(jié)構(gòu)為例：通過分層打印時改變溫度參數(shù)，使頂層產(chǎn)生收縮應(yīng)變，底層保持穩(wěn)定，在60℃水中呈現(xiàn)精準(zhǔn)可控的卷曲變形。有限元模擬與實驗高度吻合，證實該技術(shù)可制備復(fù)雜功能器件。
圖5. 智能心率監(jiān)測腕帶系統(tǒng)
集成液態(tài)金屬加熱電路的LCE腕帶展現(xiàn)可穿戴設(shè)備應(yīng)用：PID溫控系統(tǒng)使材料在50℃時產(chǎn)生收縮力，使腕帶主動貼合手腕。實測數(shù)據(jù)顯示，收緊狀態(tài)下顯著提高了測量精度并降低了噪聲，1000次疲勞測試后性能無衰減。這項技術(shù)為可穿戴設(shè)備帶來"自適應(yīng)穿戴"新范式。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李木軍副教授、張世武教授、孫宇軒博士后為論文通訊作者，碩士研究生李東曉，孫宇軒博士后為論文共同第一作者。正如通訊作者李木軍所言：“這項突破讓智能材料真正擁有了''環(huán)境感知力''，我們將繼續(xù)探索其在人機交互、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域的深度應(yīng)用。”
論文信息
標(biāo)題：3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation
期刊：ACS Nano
鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15521
