浙大罗英武教授团队《Adv. Funct. Mater.》：拉伸激活的可重编程的变形复合弹性体

2022-06-16 来源：高分子科技

材料的力学响应可以是（黏）弹性或者塑性。例如，弹性体材料受到拉伸后释放会恢复其原始形状；而塑料在拉伸后屈服，会出现残余应变。如果不同的力学响应可以在一块材料中局部地被编程和反复定义，这种局部力学响应失配的材料就有机会在一次简单的拉伸释放后，实现复杂且可重构的变形。

浙江大学化工学院罗英武教授课题组设计了一个简单的二元材料体系（相变石蜡分子+弹性体）实现了上述设想。以最简单的构形（图1）为例，将弹性体膜单侧暴露在熔融的石蜡液层中，石蜡分子的扩散会在弹性体膜的厚度方向制造浓度梯度。冷却至室温后，引入的石蜡分子在弹性体网络中结晶。在室温下单轴拉伸并释放复合弹性体膜后，石蜡富集的区域产生塑性，而石蜡少的区域发生弹性回复，这种弹塑性响应的失配使复合弹性体薄膜产生弯曲变形。其中，石蜡富集区域中的塑性响应是由于破碎的石蜡晶体阻碍了弹性体网络的回复。

图1. 复合弹性体膜拉伸-释放后的基础变形行为

除了控制厚度方向上的力学响应差异，弹性体平面方向内的不同力学响应可以在图案化掩膜的帮助下被局部定义。在单轴或双轴拉伸后释放图案化的复合弹性体膜，二维的薄膜可以变形为复杂的预设的三维形状：从弯曲（图2a），变高斯曲率（图2b）等基本构形到它们的复杂组合（图2c-h）。

图2. 通过空间图案化复合弹性体膜拉伸-释放后的复杂变形行为

区域力学响应失配的拉伸激活的变形行为可以通过石蜡溶胀动力学以及材料力学的耦合进行预测（图3a-b）。溶胀动力学控制了石蜡的空间分布，从而可以控制最终形状。因此，溶胀时间也可以作为一个参数来调控拉伸激活后的弯曲曲率、面外变形高度（图3c-d）。

图3. 拉伸激活形状的理论预测以及通过溶胀时间编程最终激活的形状

二维薄膜拉伸激活为三维形状的过程是可逆的（图4a-c）。而全局拉伸激活形状变形，辅助以局部点加热形状回复，提供了一种多次编程不同形状的手段（图4d-e）。并且，区域化的力学响应可以被重新编程（图4f-g）。

图4. 可逆变形和重编程变形路径的策略

该工作通过在弹性体膜中空间图案化分布可结晶石蜡分子，局部编程弹性和塑性，简单高效地制备了一种拉伸激活的变形复合弹性体。得到的形状变形是可逆的、可重新编程的和可预测的。当前的策略可以为软变形设备的设计提供一个多功能平台，并且局部弹塑性的成功整合也为有望为制造全新的机械超材料提供新机会。相关工作以“Stretch-Activated Reprogrammable Shape-Morphing Composite Elastomers”发表在Advanced Functional Materials期刊上，论文的第一作者是课题组博士生唐加利、陈哲琪。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202203308

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（责任编辑：xu）

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