賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)3D打印智能變色應(yīng)力響應(yīng)材料

2025年5月4日，南極熊獲悉，賓夕法尼亞州立大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的一支多學(xué)科研究團隊，成功開發(fā)出一種用于3D打印膽甾型液晶彈性體（CLCE）的創(chuàng)新方法。該技術(shù)結(jié)合先進的打印工藝與CLCE獨特的光學(xué)特性，為動態(tài)變色材料在智能傳感、柔性顯示與軟體機器人等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

△相關(guān)研究已發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上，題目為“三維結(jié)構(gòu)中膽固醇液晶彈性體的同軸直接墨水寫入技術(shù)”（傳送門）

CLCE是一種柔性橡膠狀材料，具備獨特的光控能力，能夠在受到機械應(yīng)力時產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色變化。這一性質(zhì)源于材料內(nèi)部有序的扭曲螺旋結(jié)構(gòu)，類似于某些昆蟲外殼對光線的反射機制。

△硅膠支撐CLCE線材的同軸3D打印

研究負(fù)責(zé)人、材料科學(xué)與工程系主任Shu Yang教授表示。“顏色的變化并非來自顏料，而是材料對光的結(jié)構(gòu)性干涉，就像某些甲蟲殼在不同角度下呈現(xiàn)出五彩斑斕的視覺效果。這類材料具有廣泛的潛力，可應(yīng)用于可穿戴醫(yī)學(xué)設(shè)備、非侵入式診斷系統(tǒng)、實時監(jiān)測平臺，甚至在未來的藝術(shù)與建筑中發(fā)揮作用。”

△剪切作用下膽甾相的形成

本研究的核心突破在于研發(fā)出一種名為同軸直接墨水寫入（DIW）的新型3D打印技術(shù)。該方法能夠高精度打印多穩(wěn)定、可變色的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)方法中CLCE材料在打印過程中的流動性與結(jié)構(gòu)形成之間的矛盾。

△打印CLCE硅膠條的機械變色特性

材料科學(xué)與工程系博士生、論文第一作者Alicia Ng介紹道“在將2D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為3D結(jié)構(gòu)時，CLCE前驅(qū)液因粘度過高，阻礙了內(nèi)部扭曲螺旋結(jié)構(gòu)的形成，而這一結(jié)構(gòu)正是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色響應(yīng)的關(guān)鍵。”

這種創(chuàng)新的同軸材料組合，在保留CLCE變色響應(yīng)能力的同時，顯著提升了成品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可打印性。Ng補充道：“為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究團隊設(shè)計出一種透明硅膠外殼包覆方案，為CLCE核心提供必要的機械支撐。”

這項技術(shù)不僅提高了CLCE材料在3D打印過程中的兼容性，還擴展了CLCE材料可設(shè)計性和功能性，為面向未來的功能性材料開發(fā)提供了新路徑。