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

來源：材料科學(xué)與工程

水對(duì)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(jìn)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(jī)會(huì)，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(jī)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(xì)長(zhǎng)的細(xì)胞壁在吸濕后沿垂直于纖維素排列的方向(即長(zhǎng)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(duì)外界刺激的無與倫比的濕響應(yīng)生存策略不僅對(duì)生物體本身具有重要意義，而且從濕響應(yīng)驅(qū)動(dòng)的角度為科學(xué)研究提供了巨大的啟發(fā)。

來自亞利桑那州立大學(xué)的學(xué)者報(bào)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(dǎo)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(lì)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(dǎo)致亞微米梯度多孔結(jié)構(gòu)的形成。電場(chǎng)使液晶的可編程排列成為可能，這反過來又延長(zhǎng)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(qiáng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)和高可靠性。該研究為設(shè)計(jì)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(gè)新的視角。本文報(bào)道的結(jié)果在軟機(jī)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(biāo)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(jī)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(xué)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(dòng)態(tài)循環(huán)。

圖2.研究LCs/SiC混合物的材料特性。a） 電長(zhǎng)石驅(qū)動(dòng)的LC相變從多域到單域的示意圖，同時(shí)間接對(duì)齊SiC納米填料。b） 混合物的對(duì)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(biāo)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(jī)理.a） 光固化誘導(dǎo)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(zhǎng)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(duì)準(zhǔn)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(duì)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(dòng)器的動(dòng)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(yàn);e）可編程空間圖案結(jié)構(gòu)的變形與有限元模擬預(yù)測(cè)。

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(shí)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)。d）基于吸濕變形的爬行結(jié)構(gòu)移動(dòng)速度比較，CG1， CG2， CG3， CG4。e）檢測(cè)環(huán)境中丙酮泄漏的檢測(cè)電路示意圖。f） 當(dāng)彎曲執(zhí)行器因泄漏的丙酮而膨脹時(shí)，電路打開并打開警告燈;g）檢測(cè)周期性滴落丙酮的電信號(hào)。

綜上所述，從干旱環(huán)境中植物獨(dú)特的生存策略中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)了LC的遠(yuǎn)程對(duì)準(zhǔn)，這反過來又指導(dǎo)了對(duì)電長(zhǎng)或磁長(zhǎng)沒有響應(yīng)的納米對(duì)準(zhǔn)。 同時(shí)，各向異性多孔結(jié)構(gòu)可以實(shí)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(duì)準(zhǔn)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(gè)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(duì)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(dòng)。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(dòng)�？傮w而言，這里報(bào)道的LCT輔助納米顆粒排列彌補(bǔ)了現(xiàn)有對(duì)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(jìn)一步為包括仿生軟機(jī)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(jī)會(huì)。（文：SSC）