TU Eindhoven研究人員發(fā)表關(guān)于液晶4D打印的綜述

2021年11月2日，南極熊獲悉，來自埃因霍溫科技大學(xué)（TU Eindhoven）的研究人員發(fā)表了一份最新的關(guān)于液晶增材制造領(lǐng)域的全面報(bào)告。

液晶是一類表現(xiàn)出傳統(tǒng)液體和固體晶體特性的材料。液晶除了作為液晶顯示器（LCD）的關(guān)鍵組成部分，還是一種智能材料，在從光反射器和可切換的窗戶到太陽(yáng)能電池板等方面都有著先進(jìn)的應(yīng)用。

當(dāng)與3D打印結(jié)合使用時(shí)，液晶可以在干燥和潮濕的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可編程、可逆、各向異性的驅(qū)動(dòng)，使其成為具有非常強(qiáng)大的4D能力的"刺激-反應(yīng)材料"。潛在的增材制造用例清單包括能源生產(chǎn)、傳感，甚至是軟體機(jī)器人。

與傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)綜述不同，埃因霍溫大學(xué)的論文不僅僅是列出該領(lǐng)域值得注意的研究項(xiàng)目，而且是旨在作為非專業(yè)人士的手冊(cè)。

博士四年級(jí)學(xué)生、該評(píng)論的合著者Jeroen Sol寫道："這份報(bào)告可以讓讀者全面了解液晶在增材領(lǐng)域的選擇和挑戰(zhàn)，同時(shí)鼓勵(lì)已經(jīng)在液晶或增材制造方面有經(jīng)驗(yàn)的研究人員進(jìn)一步了解全文，看看他們?nèi)绾螌⒃霾闹圃旎蛞壕�融入自己的工作�！?/div>

△4D打印的液晶軟體機(jī)器人可以用熱、紫外光和其他機(jī)制來驅(qū)動(dòng)。圖片來自埃因霍溫大學(xué)。

液晶排列的重要性

這篇報(bào)告指出，液晶的分子順序是影響其各向異性質(zhì)量的主要因素，并對(duì)其對(duì)刺激的反應(yīng)方式有重大影響。因此，在3D打印過程中控制分子排列是至關(guān)重要的（特別是對(duì)于4D應(yīng)用），但有幾種常見的方法可以做到這一點(diǎn)。

最廣泛使用的使液晶中的分子對(duì)齊的方法之一是使用化學(xué)表面處理。這種方法通常利用一個(gè)在頂部和底部表面有排列層的玻璃單元。一旦細(xì)胞冷卻到液晶階段，就可以使分子發(fā)生相變并以預(yù)定的方式完成自發(fā)組織。液晶也可以通過在3D打印過程中施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)，或利用機(jī)械力場(chǎng)（如剪切和伸長(zhǎng)）來排列。

4D打印液晶的應(yīng)用

該文件還繼續(xù)討論了4D打印液晶結(jié)構(gòu)的一些更先進(jìn)的應(yīng)用，首先是軟機(jī)器人。在軟體機(jī)器人中，液晶材料的收縮條被用作人工肌肉。這些人工肌肉通常通過熱能、光照或濕度暴露來驅(qū)動(dòng)，并且可以單獨(dú)進(jìn)行3D打印，或?qū)⑵渚幙椩谝黄鹨郧度腩~外的智能特性。

增材制造的液晶也有可能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)生物醫(yī)學(xué)植入物。雖然它們還沒有被批準(zhǔn)用于人體植入物，但論文指出，先前的研究表明，這些材料可能具有一定程度的生物相容性。例如，通過像直接墨水書寫這樣的工藝，有可能打印出一種泌尿系統(tǒng)植入物，當(dāng)被紅外光照射時(shí)具有可控制的熱收縮（紅外光能很好地穿過皮膚）。

最后，液晶也可以通過3D打印用于光子設(shè)備，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠鈱W(xué)設(shè)備中有著廣泛的傳統(tǒng)用途。事實(shí)上，在埃因霍溫大學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一項(xiàng)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)中，就已經(jīng)開發(fā)了一種新型變色液晶墨水，用于微擠壓。這種墨水的靈感來自于彩虹色材料，如珠寶甲蟲的外表，預(yù)計(jì)將對(duì)裝飾性照明甚至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)產(chǎn)生影響。

△使用彩虹色液晶墨水3D打印的蝴蝶。照片來自埃因霍溫科技大學(xué)。

更多的話題，如3D打印方法、打印參數(shù)細(xì)化和液晶驅(qū)動(dòng)方法，可以在題為《‘4D Printing of Liquid Crystals: What’s Right for Me》的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104390

光學(xué)設(shè)備的3D打印是增材制造中的一個(gè)前沿領(lǐng)域。今年早些時(shí)候，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的研究人員開發(fā)了一種3D打印光子晶體纖維（一種特殊類型的光纖）的新方法。該團(tuán)隊(duì)為該項(xiàng)目建造了一臺(tái)專門基于SLA的3D打印機(jī)，這款打印機(jī)使科學(xué)家們能夠以從前不可能完成的內(nèi)部幾何形狀定制他們的光纖。

在其他地方，來自弗萊堡大學(xué)和3D打印機(jī)制造商N(yùn)anoscribe的科學(xué)家最近利用雙光子聚合技術(shù)，以亞微米的分辨率制造玻璃硅微結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在未來，他們獨(dú)特的打印、脫膠和燒結(jié)過程可以被用來生產(chǎn)具有潛在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的下一代微光學(xué)器件。