受干旱環(huán)境中植物啟發(fā)，實現(xiàn)一種4D打印各向異性多孔結(jié)構(gòu)！

來源：材料科學與工程

水對生物的繁殖至關(guān)重要，尤其是在干旱缺水的棲息地。為了提高種子的存活率，自然界中的植物在數(shù)十億年的進化中掌握了克服極端天氣的非凡方法。納庫露子花 （Delosperma nakurense）通過在潮濕天氣釋放其種子以增加發(fā)芽的機會，在干旱地區(qū)表現(xiàn)出顯著的生存能力。其具有選擇性種子散布背后的機制歸因于具有不同吸濕變形率的種子蒴果的雙層結(jié)構(gòu)。其細長的細胞壁在吸濕后沿垂直于纖維素排列的方向(即長軸方向)膨脹。宏觀上，與種子接觸的雙層結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)比外側(cè)具有更大的變形率，這使得種子室能夠在有利于發(fā)芽的天氣下打開并釋放種子。這種應(yīng)對外界刺激的無與倫比的濕響應(yīng)生存策略不僅對生物體本身具有重要意義，而且從濕響應(yīng)驅(qū)動的角度為科學研究提供了巨大的啟發(fā)。

來自亞利桑那州立大學的學者報道了一種多功能的4D打印技術(shù)，即液晶模板輔助的甕光聚合(LCT-VPP)，它可以通過利用光聚合誘導相分離(PIPS)和液晶(LCs)電排列來制備具有濕響應(yīng)能力的生物激勵多孔結(jié)構(gòu)。在提取非反應(yīng)性LCs后，LCs/納米填料復(fù)合材料中的PIPS導致亞微米梯度多孔結(jié)構(gòu)的形成。電場使液晶的可編程排列成為可能，這反過來又延長了多孔結(jié)構(gòu)并排列了納米填料。此外，通過模板化LC可編程排列的納米填料增強了變形程度，因此所得復(fù)合材料表現(xiàn)出高形狀控制精度、快速動態(tài)響應(yīng)和高可靠性。該研究為設(shè)計具有特殊空間分布的多孔結(jié)構(gòu)的生物智能材料提供了一個新的視角。本文報道的結(jié)果在軟機器人、智能防偽裝置、柔性傳感器和超濾膜等方面有著潛在的應(yīng)用。相關(guān)文章以“4D Printing of Seed Capsule-Inspired Hygro-Responsive Structures via Liquid Crystal Templating-Assisted Vat Photopolymerization”標題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202211602

圖1.LCT-VPP仿生吸濕變形機理及印刷工藝.a）種子膠囊的吸濕性釋放過程.b）LCT-VPP 設(shè)置的示意圖。c） LC單體和非電響應(yīng)SiC納米葉片的電取向過程示意圖。d） 雙層太極結(jié)構(gòu)的偏振光學顯微鏡（POM）圖像;e）印刷仿生吸濕五角星結(jié)構(gòu)的干彎曲和濕溶脹的動態(tài)循環(huán)。

圖2.研究LCs/SiC混合物的材料特性。a） 電長石驅(qū)動的LC相變從多域到單域的示意圖，同時間接對齊SiC納米填料。b） 混合物的對齊方向垂直于光束方向的六角形。 c，d） 材料固化特性和粘度的表征;以及e）LCs在多域和單域向列相中的偏振特性以及雙層ASU標志的POM圖像，層厚為500 μm。

圖3.各向異性多孔結(jié)構(gòu)的變形機理.a） 光固化誘導單向多孔FLM的微相分離和吸濕變形示意圖。b）頂部和橫截面圖中多孔結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，i，ii）梯度和排列的各向異性多孔結(jié)構(gòu)，iii，iv）SiC納米填料與孔的長軸方向相同。彎曲執(zhí)行器的曲率與c）印刷厚度和d）SiC比率之間的關(guān)系。e） 由對準角引起的螺旋結(jié)構(gòu)示意圖;f）干穩(wěn)態(tài)和吸濕最大狀態(tài)的曲率和螺旋角。

圖4.以可編程方式對吸濕性結(jié)構(gòu)變形的可逆性。a，b）由于吸濕性膨脹和干彎曲引起的彎曲致動器的動態(tài)曲率表征。c） 彎曲執(zhí)行器循環(huán)吸濕干燥過程的原理圖和d）物理試驗;e）可編程空間圖案結(jié)構(gòu)的變形與有限元模擬預(yù)測。

圖5.濕響應(yīng)執(zhí)行器的應(yīng)用。a）柔性抓手的抓靶過程是在丙酮中卷曲和膨脹，干燥時向下彎曲和抓取，然后轉(zhuǎn)移到丙酮上釋放。b）隨著前后替運動，履帶在棘輪表面上的定向爬行示意圖。c）履帶吸濕張力和干燥拉伸的循環(huán)運動。d）基于吸濕變形的爬行結(jié)構(gòu)移動速度比較，CG1， CG2， CG3， CG4。e）檢測環(huán)境中丙酮泄漏的檢測電路示意圖。f） 當彎曲執(zhí)行器因泄漏的丙酮而膨脹時，電路打開并打開警告燈;g）檢測周期性滴落丙酮的電信號。

綜上所述，從干旱環(huán)境中植物獨特的生存策略中吸取的經(jīng)驗教訓為制造仿生功能結(jié)構(gòu)提供了靈感。在這里，本研究提出了一種利用光聚合誘導的相分離和電取向來制備具有快速響應(yīng)和可編程濕響應(yīng)變形的各向異性多孔結(jié)構(gòu)的方法。實現(xiàn)了LC的遠程對準，這反過來又指導了對電長或磁長沒有響應(yīng)的納米對準。 同時，各向異性多孔結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)3D打印結(jié)構(gòu)的吸濕變形。添加SiC 纖維是為了限制固化產(chǎn)物在對準方向上的吸濕性變形。本研究從變形性、可編程性和可逆性三個主要方面研究了各向異性多孔結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。本文研究了厚度和SiC濃度對變形曲率的影響，通過可編程定向LC和SiC在單層或多層的不同區(qū)域得到復(fù)雜的變形。此外，還反復(fù)完成了吸濕溶脹和干燥收縮之間的濕響應(yīng)驅(qū)動。將研究更環(huán)保和無害的溶劑，以激活LCTVPP打印物體的驅(qū)動�？傮w而言，這里報道的LCT輔助納米顆粒排列彌補了現(xiàn)有對齊方法的缺陷，本研究提出的各向異性多孔結(jié)構(gòu)的制造方法進一步為包括仿生軟機器人、智能防偽設(shè)備、柔性傳感器和超氟化膜在內(nèi)的新應(yīng)用提供了機會。（文：SSC）