南洋理工大学周琨教授团队 AM：4D打印兼具光致变色和光热制动的可重复编辑液晶弹性体

2023-07-20 来源：高分子科技

液晶弹性体（LCEs）是一类非常有前景的智能软材料。它可以在多种外界刺激下发生大幅度的、可逆的、且与其液晶基元取向相关联的形状变化。这种刺激-响应性使LCEs在在智能机器人、生物医学、电子学、光学和能源领域显示出巨大的应用潜力。近年来，4D打印技术的发展为LCEs的设计和制备解锁了更多的可能性。相比于传统的制备技术，4D打印技术，特别是挤出式的墨水直写（DIW）技术，能够同时对液晶基元的取向排列和打印件的3D几何结构进行编程控制，从而有望获得具有理想的刺激-响应特性的LCEs器件。到目前为止，大多数4D打印的LCEs都是热响应的，并且局限于单一而固定的形状变化特性。为了进一步促进LCEs在实际应用中的自适应性和功能性，开发具有可重复编程特性且多种可编程物理特性的LCEs是非常有必要且具有挑战性的。

近期，新加坡南洋理工大学周琨教授团队在《Advanced Materials》期刊上发表题为“ 4D printing of Reprogrammable Liquid Crystal Elastomers with Synergistic Photochromism and Photo-Actuation”的文章（DOI: 10.1002/adma.202303969）。本文作者开发了一种可打印的光致变色二氧化钛纳米晶(TiNC)/LCE复合墨水，并利用DIW技术打印了兼具可重复编程的光致变色和光热制动性能的LCEs（图1）。利用TiNCs的光致变色特性，所打印的TiNC/LCE复合材料能够在紫外（UV）辐射下从白色变成黑色，并在氧气环境下从黑色可逆地变回白色。在近红外光（NIR）辐射下，经UV辐照后的黑色区域能够呈现出高效的光热效应，从而实现局域可控的光热制动行为。通过精确控制结构设计和光照辐射， 4D打印的TiNC/LCE复合材料可以进行整体或局部的编程、擦除和重新编程，以创造多样化的颜色图案和复杂3D结构构筑。

图1．4D打印的TiNC/LCE复合材料的制备及其可重复编辑的光致变色和光热制动特性

如图2所示，为了获得良好的打印性和可再编程的响应特性，所开发的TiNC/LCE墨水需满足如下要求：（1）TiNCs具备良好的可逆光致变色特性，且在LCE基体中均匀分散；（2）墨水具备显著的剪切变稀特性、液晶性和可聚合性。

图2. TiNCs和TiNC/LCE墨水的物化性能

如图3所示，所打印的TiNC/LCE复合材料不仅具有优异的本征热响应性能，还具有非常突出的光响应特性。TiNC/LCE复合材料的光响应特性表现在：（1）可逆的光致变色特性，即在UV或氧气条件下，样品颜色能够可逆地在白色和黑色之间切换；（2）高效的光热制动能力，即经UV辐照后的黑色样品的表面温度能够快速升高至超过清亮点T_NI，随之产生大幅度的光致变形，所产生的高输出功足以进行重物抓取与转移。

图3. 4D打印的TiNC/LCE复合材料的热响应和光响应特性

基于上述TiNC/LCE复合材料的特点，本文作者通过精确地调控结构设计和光照辐射方式，实现了一系列可再编程的光控颜色图案化和3D结构构筑，例如条形码、折纸或剪纸启发的复杂结构（图 4）。这项研究工作展示了4D打印TiNC/LCE复合材料在颜色和形状两个性能上的可编程性和可再编程性，为设计和构建具有独特和可调功能的自适应结构开辟了新道路。所开发的材料在多功能软体机器人、伪装和多级信息存储等多种先进应用领域有着巨大的潜能。

图4. 4D打印的TiNC/LCE复合材料的可在编程的光致变色和光热制动行为

团队介绍：该论文第一作者为新加坡南洋理工大学博士后研究员陈梅博士，通讯作者为新加坡南洋理工大学的周琨教授。文章合著者包括南洋理工大学博士后研究员侯雁北博士、博士生安冉，和佐治亚理工大学齐航教授。周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，主要研究粉末床熔融、材料挤出成型、立体光固化、定向能量沉积等先进增材制造技术，包括功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202303969

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（责任编辑：xu）

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