​用于自由形式驅(qū)動的3D打印光響應液晶彈性體復合材料！

來源：材料科學與工程

液晶彈性體(LCEs)是刺激響應材料，具有固有的各向異性，并提供可逆驅(qū)動，具有大的各向異性變形(高達500%應變)，這是由加熱到各向異性到各向同性轉(zhuǎn)變溫度(TNI)以上時的預對準的介元的重新定向造成的。由于可以通過控制LC介質(zhì)的內(nèi)部取向來控制LCEs的力學響應，因此可以實現(xiàn)復雜的形狀變形。它們對包括人工肌肉和軟機器人在內(nèi)的潛在應用具有吸引力。為了實現(xiàn)預期的驅(qū)動響應，精確設計LCE的對準是至關重要的。由于LC分子與對齊層的指令面之間存在有限的相互作用，通過光對齊或微通道進行的表面對齊僅限于薄層(通常小于100 μm)。液晶彈性體 （LCE） 的直接墨水寫入為針對軟機器人等應用的各種形狀轉(zhuǎn)換模式的幾何形狀編程提供了新的機會。到目前為止，大多數(shù)3D打印的LCE都是熱驅(qū)動的。

來自賓夕法尼亞大學的學者開發(fā)了一種可3D打印的光響應金納米棒（AuNR）/LCE復合墨水，允許AuNR低至0.1 wt.%的3D打印結構的光熱驅(qū)動。結果表明，在最佳印刷條件下，在1.4 W cm−2（相當于160 °C）下照射近紅外（NIR）光（808 nm）時，印刷的弗拉門特具有優(yōu)異的光熱響應和27%的致動應變。通過控制暴露在NIR激光下的區(qū)域，可以將3D打印的復合材料結構全局或局部驅(qū)動成不同的形狀。利用3D打印實現(xiàn)的定制結構和控制局部曝光的能力，同時展示了一種光響應軟機器人，它可以在棘輪表面上爬升，最大速度分別為0.284 mm s−1（在平面上）和0.216 mm s-1（在30°表面上），相當于每分鐘0.428和0.324體長。相關文章以“3D-Printed Photoresponsive Liquid Crystal Elastomer Composites for Free-Form Actuation”標題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202210614

圖1.a） AuNR/LCE 墨水的 DIW 打印示意圖和 AuNR/LCE 墨水的分子結構。b） 完全交聯(lián)后 3D 打印的 AuNR/LCE 的紫外-可見光譜。c） AuNR/LCE油墨的粘度與不同溫度下的剪切速率的關系。

圖2.a） AuNR/LCE 墨水和完全交聯(lián)的 AuNR/LCE 弗拉門特的 DSC 曲線。b） 打印速度和噴嘴直徑d對AuNR/LCE火焰管驅(qū)動應變的影響。c） 3D打印的AuNR / LCE火焰在具有不同噴嘴直徑的不同打印速度下的光學圖像。d） 施加到AuNR / LCE火焰的驅(qū)動應變與溫度的關系（使用0.410 mm噴嘴在5 mm s−1下打�。�。e，f）3D打印的AuNR / LCE弗拉門特的WAXRD圖案（e）和方位角（f）。g） 拉伸試驗中 3D 打印的 AuNR/LCE的應力-應變。

圖3.a）3D打印的AuNR / LCE火焰與800nm處的光強度的溫度變化。b）在800 nm下不同光強度下，3D打印的AuNR / LCE火焰體的溫度變化與曝光時間的關系。c） 在室溫和近紅外光驅(qū)動時設計雙層結構及其形態(tài)。d） 通過控制暴露在花朵上的近紅外光，對花朵結構進行全局 （1.4 W cm−2） 和局部 （1.3 W cm−2） 驅(qū)動。

圖4.a） 軟機器人在平面和棘輪表面上行走的機構示意圖（棘輪角度 15°，周期性 4 mm）。 b） 軟機器人在 30° 傾斜棘輪表面上攀爬的快照（棘輪角度 15°，周期性 4 毫米）。

圖5.a） 不同傾斜角度與不同彎曲角度的軟機器人在棘輪表面上的速度（棘輪角度 15°，周期性 4 mm）。b） 軟機器人在棘輪表面上的速度（周期性 4 mm），具有不同的傾斜角度與不同的棘輪角度。c）不同傾斜角度與不同周期性的軟機器人在棘輪表面（棘輪角度15°）上的速度。d）在類似機制下，本研究的3D打印AuNR / LCE與其他LCE系統(tǒng)之間的軟機器人速度與其體重的比較。

綜上所述，本研究成功研制了一種可3d打印的光響應AuNR/LCE復合油墨。通過調(diào)整油墨配方和噴管尺寸、打印速度和打印溫度等打印參數(shù)，發(fā)現(xiàn)3d打印的AuNR/LCE膠條(低至0.1 wt.% AuNR)可達到27%的驅(qū)動應變。由于聚乙二醇修飾的AuNR分散性好，光熱性能好，在1.4 W cm−2的近紅外光(808 nm)照射下，AuNR/LCE火焰可達到160°C。為了減少高溫下AuNR的潛在重塑，本研究將輻照時間控制在<5 min，溫度控制在180℃以下。
利用DIW的可定制打印結構和近紅外光的局部驅(qū)動，本研究展示了3d打印的AuNR/ LCE花瓣，其花瓣可以在全球或單獨“綻放”。

此外，3d打印的雙分子層帶材可以作為一個柔軟的機器人步行者，在平面上以0.284 mm s−1(或0.428體長/ min)的速度爬上棘輪表面，在近紅外光源的局部控制下，當表面傾斜30°時，以0.216 mm s−1(或0.324體長/ min)的速度爬上棘輪表面。這項工作擴展了可打印LCE油墨的范圍。通過光的調(diào)制，可以產(chǎn)生更多的變形模式，以創(chuàng)建復雜的形狀和指導運動。（文：SSC）