​用于自由形式驅(qū)動的3D打印光響應液晶彈性體復合材料,！

來源：材料科學與工程

液晶彈性體(LCEs)是刺激響應材料,，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500%應變),，這是由加熱到各向異性到各向同性轉(zhuǎn)變溫度(TNI)以上時的預對準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的力學響應,，因此可以實現(xiàn)復雜的形狀變形,。它們對包括人工肌肉和軟機器人在內(nèi)的潛在應用具有吸引力。為了實現(xiàn)預期的驅(qū)動響應,，精確設(shè)計LCE的對準是至關(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器人等應用的各種形狀轉(zhuǎn)換模式的幾何形狀編程提供了新的機會,。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的學者開發(fā)了一種可3D打印的光響應金納米棒（AuNR）/LCE復合墨水,，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（相當于160 °C）下照射近紅外（NIR）光（808 nm）時，印刷的弗拉門特具有優(yōu)異的光熱響應和27%的致動應變,。通過控制暴露在NIR激光下的區(qū)域,，可以將3D打印的復合材料結(jié)構(gòu)全局或局部驅(qū)動成不同的形狀。利用3D打印實現(xiàn)的定制結(jié)構(gòu)和控制局部曝光的能力,，同時展示了一種光響應軟機器人,，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圖像,。d） 施加到AuNR / LCE火焰的驅(qū)動應變與溫度的關(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） 拉伸試驗中 3D 打印的 AuNR/LCE的應力-應變,。

圖3.a）3D打印的AuNR / LCE火焰與800nm處的光強度的溫度變化,。b）在800 nm下不同光強度下，3D打印的AuNR / LCE火焰體的溫度變化與曝光時間的關(guān)系,。c） 在室溫和近紅外光驅(qū)動時設(shè)計雙層結(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)進行全局 （1.4 W cm−2） 和局部 （1.3 W cm−2） 驅(qū)動,。

圖4.a） 軟機器人在平面和棘輪表面上行走的機構(gòu)示意圖（棘輪角度 15°,，周期性 4 mm）。 b） 軟機器人在 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器人在棘輪表面上的速度（棘輪角度 15°，周期性 4 mm）,。b） 軟機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器人在棘輪表面（棘輪角度15°）上的速度,。d）在類似機制下,，本研究的3D打印AuNR / LCE與其他LCE系統(tǒng)之間的軟機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AuNR/LCE復合油墨,。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)可達到27%的驅(qū)動應變,。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火焰可達到160°C。為了減少高溫下AuNR的潛在重塑,，本研究將輻照時間控制在<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“綻放”。

此外,，3d打印的雙分子層帶材可以作為一個柔軟的機器人步行者,，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,，當表面傾斜30°時,，以0.216 mm s−1(或0.324體長/ min)的速度爬上棘輪表面。這項工作擴展了可打印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)建復雜的形狀和指導運動,。（文：SSC）