浙江大学谢涛教授《Matter》：基于可逆共价键的模块化4D打印

4D打印在3D打印的基础上增加了随时间变形的第四维度，是一种新兴的数字化、智能化制造技术。其将化学领域的分子自组装概念延伸到宏观产品形状的自组装，被认为是一种具有潜在颠覆性的技术。根据其具体成型方式，4D打印可以分为：直接3D打印受激形变材料和打印可变形为3D形状的数字化2D平面。其中，后者由于只需要制备单层平面，可以有效克服传统3D打印层层打印的固有局限，在制备一些特定3D结构时具有速度上的巨大优势。但其二维变三维的机理也较大程度上限制了所能制备的形状的复杂度，并且打印材料的性能较为单一。

近日，浙江大学化学工程联合国家重点实验室谢涛课题组在原有工作基础之上（Adv. Mater.2017, 29, 1605390 & ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 32408），提出了基于动态共价键交换的模块化4D打印概念，旨在突破2D到3D变形模式的限制，拓展其成型复杂度及相关器件的功能。

这一概念的实现依赖于光固化打印前驱液中动态共价键的引入，以及对打印的动态高分子网络性能的良好调控。在室温条件下，动态键处于休眠状态，通过控制数字光固化的曝光参数，可以制备得到具有不同形状及性能的的模块单元。在高温下（160 ºC），动态键被激活，可以将这些模块单元通过界面间的键交换反应实现高效焊接，从而得到具有复杂形状的多材料结构。

基于动态共价键交换体系的模块化4D打印

利用该模块化4D打印方式，可以实现多级晶格结构、互锁结构和立体三浦折叠等多种复杂结构的制备。这些三维结构可以通过形状记忆及塑性变形两种方法进一步丰富其变形行为。

单层4D打印曝光区域与时间的调控及其变形结果

立体三浦折叠结构的变形过程

模块组装得到的复杂结构及其形状记忆变形

魔球结构到立体三浦折叠结构的变形过程

由于该方法的通用性，所制备的不同材料模块（包括结晶型韧性材料，橡胶态弹性材料和玻璃化硬质塑料）均可实现组装，获得具有复合性能的多材料功能性结构。借助不同材料热力学性能差异，组装体在升温过程中可以实现次序变形，获得多形状响应功能。结合特殊的结构设计，还能增强变形过程中的力学稳定性。

多材料的模块化4D打印及其功能性研究

该工作以“Modular 4D printing via interfacial welding of digital light controllable dynamic covalent polymer networks”为题在线发表于Cell Press旗下材料学期刊Matter上。其中，博士生方子正和硕士生宋慧洁为共同第一作者，赵骞副教授和谢涛教授为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.01.014