宾夕法尼亚大学杨澍教授团队 AFM：3D打印红外光响应液晶弹性体复合物

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液晶弹性体 (Liquid crystal elastomers，LCEs)结合了液晶的各向异性和交联聚合物的橡胶弹性。通过控制液晶分子基元 (mesogens unit)的排列方向，我们可以预测并控制其可逆形变。这些特性使得液晶弹性体在软体机器人、可控驱动器等方面具有广泛的应用前景。相较于其他取向方式，如表面作用力取向、拉伸取向、和电磁场辅助取向，直写式3D打印可以通过剪切力将液晶单元沿着挤出方向取向排列， 为实现定制化大体积液晶弹性体材料的制备提供了可能。尽管直写式3D打印液晶弹性体已被广泛报道，但是直写式3D打印具有光响应的液晶弹性体复合物却鲜有报道。

美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程系的Shu Yang (杨澍) 教授团队的Yuchen Wang (王宇晨) 联合宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系 Jordan Raney 教授，通过对金纳米棒进行表面修饰和调节液晶弹性体墨水的流变学，开发了一种具有显著光热效应，近红外光响应的金纳米棒液晶弹性体复合物墨水（AuNR/LCE ink）。通过优化打印参数如针头直径，打印速度和温度，该复合物在红外光下（808 nm ,1.4 W/cm²）可以快速达到160°C，并可实现27%的驱动应变（actuation strain）。结合3D打印定制化的结构设计和远程光驱动的优势，作者打印并展示可全局或局部驱动的花朵结构，以及可在倾斜30°的棘齿结构表面爬行（0.216 mm/s, 0.324 body length/min）的软体机器人。

 图一 a)金纳米棒液晶弹性体复合物墨水的成分。b) 金纳米棒液晶弹性体复合物的紫外-可见-近红外光谱和金纳米棒的透射电子显微镜图像。c) 金纳米棒液晶弹性体复合物墨水在不同温度下的流变学图像。

图二 a)金纳米棒液晶弹性体复合物在不同功率红外光（800 nm）下的温度。b) 金纳米棒液晶弹性体复合物的在不同功率红外光（800 nm）下温度随时间的变化。c) 双层结构设计以及他们在室温和红外光驱动后的形状。d) 3D打印花朵结构的全局和局部驱动。

图三 a) 软体机器人在水平棘齿结构表面的行走机理示意图（棘齿角 15°，棘齿周期4mm）。b) 软体机器人在倾斜30°的棘齿结构表面爬行的快照（棘齿角 15°，棘齿周期4mm）。

该工作进一步扩充了可3D打印的液晶弹性体墨水库，为实现定制化大体积光响应液晶弹性体的制备创造了条件。 同时，由于光源的和驱动位置的可调控性，该工作也使得实现更加复杂的变形变得可能。

以上成果发表在Advanced Functional Materials, DOI:10.1002/adfm.202210614. 第一作者为Yuchen Wang (王宇晨)，通讯作者为Shu Yang (杨澍)教授。 合作者包括宾夕法尼亚大学的Rui Yin(殷睿)和Jordan Raney 教授。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202210614

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