​用于自由形式驅(qū)動的3D打印光響應(yīng)液晶彈性體復(fù)合材料！

來源：材料科學(xué)與工程

液晶彈性體(LCEs)是刺激響應(yīng)材料,，具有固有的各向異性，并提供可逆驅(qū)動，具有大的各向異性變形(高達(dá)500%應(yīng)變),，這是由加熱到各向異性到各向同性轉(zhuǎn)變溫度(TNI)以上時(shí)的預(yù)對準(zhǔn)的介元的重新定向造成的。由于可以通過控制LC介質(zhì)的內(nèi)部取向來控制LCEs的力學(xué)響應(yīng),，因此可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀變形,。它們對包括人工肌肉和軟機(jī)器人在內(nèi)的潛在應(yīng)用具有吸引力。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的驅(qū)動響應(yīng),，精確設(shè)計(jì)LCE的對準(zhǔn)是至關(guān)重要的,。由于LC分子與對齊層的指令面之間存在有限的相互作用，通過光對齊或微通道進(jìn)行的表面對齊僅限于薄層(通常小于100 μm)。液晶彈性體 （LCE） 的直接墨水寫入為針對軟機(jī)器人等應(yīng)用的各種形狀轉(zhuǎn)換模式的幾何形狀編程提供了新的機(jī)會,。到目前為止,，大多數(shù)3D打印的LCE都是熱驅(qū)動的。

來自賓夕法尼亞大學(xué)的學(xué)者開發(fā)了一種可3D打印的光響應(yīng)金納米棒（AuNR）/LCE復(fù)合墨水,，允許AuNR低至0.1 wt.%的3D打印結(jié)構(gòu)的光熱驅(qū)動,。結(jié)果表明，在最佳印刷條件下,，在1.4 W cm−2（相當(dāng)于160 °C）下照射近紅外（NIR）光（808 nm）時(shí),，印刷的弗拉門特具有優(yōu)異的光熱響應(yīng)和27%的致動應(yīng)變。通過控制暴露在NIR激光下的區(qū)域,，可以將3D打印的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全局或局部驅(qū)動成不同的形狀,。利用3D打印實(shí)現(xiàn)的定制結(jié)構(gòu)和控制局部曝光的能力，同時(shí)展示了一種光響應(yīng)軟機(jī)器人,，它可以在棘輪表面上爬升,，最大速度分別為0.284 mm s−1（在平面上）和0.216 mm s-1（在30°表面上），相當(dāng)于每分鐘0.428和0.324體長,。相關(guān)文章以“3D-Printed Photoresponsive Liquid Crystal Elastomer Composites for Free-Form Actuation”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202210614

圖1.a） AuNR/LCE 墨水的 DIW 打印示意圖和 AuNR/LCE 墨水的分子結(jié)構(gòu)。b） 完全交聯(lián)后 3D 打印的 AuNR/LCE 的紫外-可見光譜,。c） AuNR/LCE油墨的粘度與不同溫度下的剪切速率的關(guān)系,。

圖2.a） AuNR/LCE 墨水和完全交聯(lián)的 AuNR/LCE 弗拉門特的 DSC 曲線。b） 打印速度和噴嘴直徑d對AuNR/LCE火焰管驅(qū)動應(yīng)變的影響,。c） 3D打印的AuNR / LCE火焰在具有不同噴嘴直徑的不同打印速度下的光學(xué)圖像,。d） 施加到AuNR / LCE火焰的驅(qū)動應(yīng)變與溫度的關(guān)系（使用0.410 mm噴嘴在5 mm s−1下打印）,。e,，f）3D打印的AuNR / LCE弗拉門特的WAXRD圖案（e）和方位角（f）。g） 拉伸試驗(yàn)中 3D 打印的 AuNR/LCE的應(yīng)力-應(yīng)變,。

圖3.a）3D打印的AuNR / LCE火焰與800nm處的光強(qiáng)度的溫度變化,。b）在800 nm下不同光強(qiáng)度下，3D打印的AuNR / LCE火焰體的溫度變化與曝光時(shí)間的關(guān)系,。c） 在室溫和近紅外光驅(qū)動時(shí)設(shè)計(jì)雙層結(jié)構(gòu)及其形態(tài),。d） 通過控制暴露在花朵上的近紅外光，對花朵結(jié)構(gòu)進(jìn)行全局 （1.4 W cm−2） 和局部 （1.3 W cm−2） 驅(qū)動,。

圖4.a） 軟機(jī)器人在平面和棘輪表面上行走的機(jī)構(gòu)示意圖（棘輪角度 15°,，周期性 4 mm）。 b） 軟機(jī)器人在 30° 傾斜棘輪表面上攀爬的快照（棘輪角度 15°,，周期性 4 毫米）,。

圖5.a） 不同傾斜角度與不同彎曲角度的軟機(jī)器人在棘輪表面上的速度（棘輪角度 15°,，周期性 4 mm）。b） 軟機(jī)器人在棘輪表面上的速度（周期性 4 mm）,，具有不同的傾斜角度與不同的棘輪角度,。c）不同傾斜角度與不同周期性的軟機(jī)器人在棘輪表面（棘輪角度15°）上的速度。d）在類似機(jī)制下,，本研究的3D打印AuNR / LCE與其他LCE系統(tǒng)之間的軟機(jī)器人速度與其體重的比較,。

綜上所述，本研究成功研制了一種可3d打印的光響應(yīng)AuNR/LCE復(fù)合油墨,。通過調(diào)整油墨配方和噴管尺寸,、打印速度和打印溫度等打印參數(shù)，發(fā)現(xiàn)3d打印的AuNR/LCE膠條(低至0.1 wt.% AuNR)可達(dá)到27%的驅(qū)動應(yīng)變,。由于聚乙二醇修飾的AuNR分散性好,，光熱性能好，在1.4 W cm−2的近紅外光(808 nm)照射下,，AuNR/LCE火焰可達(dá)到160°C,。為了減少高溫下AuNR的潛在重塑，本研究將輻照時(shí)間控制在<5 min,，溫度控制在180℃以下,。
利用DIW的可定制打印結(jié)構(gòu)和近紅外光的局部驅(qū)動，本研究展示了3d打印的AuNR/ LCE花瓣,，其花瓣可以在全球或單獨(dú)“綻放”,。

此外，3d打印的雙分子層帶材可以作為一個(gè)柔軟的機(jī)器人步行者,，在平面上以0.284 mm s−1(或0.428體長/ min)的速度爬上棘輪表面,，在近紅外光源的局部控制下，當(dāng)表面傾斜30°時(shí),，以0.216 mm s−1(或0.324體長/ min)的速度爬上棘輪表面,。這項(xiàng)工作擴(kuò)展了可打印LCE油墨的范圍。通過光的調(diào)制,，可以產(chǎn)生更多的變形模式,，以創(chuàng)建復(fù)雜的形狀和指導(dǎo)運(yùn)動。（文：SSC）