吉林大学任露泉院士团队在仿生4D打印液晶弹性体领域取得新进展
生物材料运用成分分布及有序微结构控制材料的动态性能，如野小麦种子、松果、豌豆荚及碎米萁等，运用纤维的有序结构控制材料的变形行为，形成弯曲、扭转及卷曲等变形，实现特定的生理功能。基于这种原理，他们提出了仿生4D打印技术。不同于目前主要依赖异质材料组合和几何形状设计控制4D行为，仿生4D打印通过材料微结构设计实现多种形式的编程。他们研究了打印工艺参数对液晶弹性体材料液晶单畴定向程度的影响，揭示了工艺-结构-性能关系。运用这种关系，通过控制参数实现了4D液晶弹性体材料变形特性的控制。工艺参数编程的仿生4D打印，充分挖掘了4D打印内在潜力，拓展了4D打印设计空间，有助于理解4D打印的本质和未来的应用开发。
生物材料利用内部有序结构控制变形，如何利用3D打印形成仿生微结构，并将其用于控制材料变形是一种挑战。为了验证这种仿生4D打印技术的可行性，吉林大学任露泉院士团队探索了在4D打印过程中打印速度对液晶弹性体定向程度的影响，揭示了工艺参数-微结构-性能之间的关系，运用这种关系设计并4D打印液晶弹性体材料，实现了弹跳变形、自组装、震荡摆动及蛇形蜷曲等多种变形，验证了“工艺参数编程”的可行性。他们指出，该设计理念利用了4D打印工艺独有的优势，拓展了4D打印的编程空间，未来可用于柔性机器人及柔性传感器等领域。
图1 打印工艺参数对液晶弹性体定向程度及变形特性的影响
他们首先解析了打印温度及速度对液晶弹性体取向程度及变形程度的影响。然而，由于打印温度不能进行快速的变换，他们在后续的研究中，使用打印速度作为主要编程工具。研究发现，随着打印速度的提升，液晶弹性体分子取向程度以及变形程度逐步增加。到达速度临界值后，取向系数急剧降低。
图2 打印参数对液晶弹性体微结构及变形特性的影响（a）液晶弹性体打印温度对收缩程度的影响；（b）液晶弹性体打印温度对分子取向程度的影响；（c）不同打印速度条件下，液晶弹性体变形实物图；（d）液晶弹性体打印速度对收缩程度的影响；（e）液晶弹性体打印温度对分子取向程度的影响。
根据4D打印过程中打印速度-变形程度之间的关系，他们设计了多种形式的变形。其中，他们利用了打印速度在每条打印路径上的不同分布，设计了三种2D网格向3D方向的变换，如图3所示。
图3 局部异性的打印速度分布对2D网格向3D方向变形的影响（a）打印速度均一(3mm/s)；（b）（c）打印速度区域异性（蓝色线条表示打印速度为3mm/s，红色线条表示打印速度为10mm/s）。
探索参数-微结构-性能之间的关系，是仿生4D打印设计制造的关键技术。这种使用工艺参数的不同分布来实现变形的各面异形，各线异性甚至各点异性，将成为未来4D变形设计方法中一种简易高效的编程方式。
以上成果近期发表在ACS Appl. Mater. Interfaces (10.1021/acsami.0c00027)。论文的第一作者为中国科学院院士任露泉，第二作者为其博士生李冰倩。通讯作者分别为吉林大学刘庆萍研究员和英国曼彻斯特大学任雷教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.0c00027
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