美国密苏里大学林见教授团队：4D打印的弹性复合材料用于应变预编辑的多稳态形变
4D打印技术是在传统的3D打印基础上采用自形变软材料（self-morphing soft materials）作为打印“墨水”。因此4D打印的物体在外部环境刺激（例如光，热，电场，磁场等）下，其结构，性质或者功能可以发生改变。这一特性使得4D打印技术在软体机器人，柔性电子器件以及生物医学料等领域具有极大的应用潜力从而获得了来自学术界和工业界的广泛关注。近日，密苏里大学林见教授课题组报道了一种基于施加应变来定量控制打印物形变的新型4D打印策略。
图 1
研究人员首先在硅橡胶中引入可相变的石蜡微球，从而获得形变可控的弹性复合材料 (图1A-B)。在预拉伸作用下，硅橡胶宏观上会发生形变，微观上会形成梭状微空腔而石蜡微球会与硅橡胶基质发生分离。在随后的加热过程中，石蜡会被融化成液体，进而填充由于拉伸而产生的梭状空腔。当冷却后，石蜡的形状就从球状变成梭状。当拉伸应力去除后，梭状石蜡会阻止硅橡胶的完全复原，从而将一部分应变保留下来（图1C）。值得注意的是，拉伸应变与被保留的应变存在比较好的线性关系（图1D），为下一步的结构变化的定量控制打下基础。
图 2
研究人员使用双喷头3D打印机以石蜡/硅橡胶和二氧化硅/硅橡胶分别作用打印材料，并打印得到两种的双层结构。在残余应变失配的作用下，两种双层结构分别实现了弯曲 (curling) （图2A-C）） 和折叠 (folding) （图2D-F），同时曲率（图2B）和折叠角度（图2E）均与施加的应变存在较好的线性关系。
图 3
除了弯曲和折叠，研究人员通过打印结构设计进一步实现了屈曲 (buckling)这一形变模式（图3A-B）。同时随着施加形变的增加，折叠的波长会减小。此外，研究人员证明了屈曲和折叠两种形变模式可以同时在同一个打印结构上实现（图3C）。
图 4
另外，研究人员设计打印了折纸图形并利用逐次折叠技术证明了多层结构构建的可能性 (图4)。为了进一步实现基于逐次折叠技术的复杂结构实现，蜡烛灰作为一种廉价并且具有高效光热转换效率的材料被加入到打印石蜡/硅橡胶中，在灯的照射下实现了局部热处理。
图 5
最后，研究人员通过4D打印的硅橡胶复合材料制备了3D电子器件（图 5A-B）和可穿戴电子器件（图 5C）。基于曲率和施加应变的关系，研究人员实现了指环状传感器（图 5D）的构建，可用于心电信号的检测（图5E）。
此项研究提供了一种新思路用于4D打印制备硅橡胶基的可编程复合材料。该研究对可形变材料的研发有着重要的启示作用，同时也将推动4D打印技术在柔性机器人，传感器、人工肌肉, 人体微机器人等领域的重要应用。该研究日前以题为“4D Printing Elastic Composites for Strain-Tailored Multistable Shape Morphing”发表在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。论文第一作者为邓恒博士，共同第一作者为张驰博士，论文通讯作者为密苏里大学Prof. Jian Lin（林见教授）。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c17618?fig=fig2&ref=pdf
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