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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TNI,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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