中科大Adv.Mater.：新型鐵磁液晶彈性體的可編程3D打印獲重要進(jìn)展

來源：高分子科學(xué)前沿

智能材料可以在外界刺激下按照預(yù)先編程的模式發(fā)生變形，在機(jī)器人、可穿戴電子設(shè)備和生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，并向多刺激響應(yīng)、多模式、多功能的方向發(fā)展。近年來，3D打印技術(shù)的發(fā)展為智能材料的自由編程帶來了可能。然而，目前的可編程3D打印主要針對單一功能域的智能材料（如液晶彈性體）。對于以鐵磁液晶彈性體（magLCE）為代表的多刺激響應(yīng)材料，缺乏一種可以針對其兩個(gè)功能域進(jìn)行獨(dú)立編程的3D打印方法。

針對上述問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院張世武教授領(lǐng)銜的機(jī)器人與智能裝備所李木軍副教授課題組，聯(lián)合近代力學(xué)系王柳特任教授以及南方科技大學(xué)劉吉副教授，提出了一種magLCE的雙各向異性可編程3D打印方法。通過在擠出式打印的過程中調(diào)控外磁場和打印速度，成功實(shí)現(xiàn)了液晶取向和磁化強(qiáng)度的獨(dú)立編程，以及制件在不同外場刺激（熱、光、磁）下的可控多模式變形（圖1）。該論文于2023年7月14日以"3D-printed ferromagnetic liquid crystal elastomer with programmed dual anisotropy and multi-responsiveness"為題接收發(fā)表于Advanced Materials。

圖1 magLCE的可編程雙各向異性3D打印及其多模式變形

首先通過magLCE的材料設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了其在紫外光照下的快速固化，以保證其編程的局域性。通過對打印過程中磁場和和打印速度的控制，磁化強(qiáng)度和液晶取向的方向和大小均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。結(jié)果顯示，在加熱變形的同時(shí)，magLCE仍擁有磁變形能力，且表現(xiàn)出目前3D打印智能材料中最高的能量密度和響應(yīng)速度。

圖2 對液晶取向和磁化強(qiáng)度的編程

圖3 magLCE的表征

為預(yù)測不同編程模式下magLCE的變形，該工作建立了多物理場有限元模型，以用于magLCE器件的設(shè)計(jì)。之后，該工作展示了一系列magLCE在不同外場順序下的多模式變形，還通過調(diào)控液晶彈性體基質(zhì)的變形溫度實(shí)現(xiàn)了順序變形。進(jìn)一步，設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)帶狀機(jī)器人。通過磁場和溫度場驅(qū)動(dòng)，該機(jī)器人能夠在不同的地形、溫度和磁場環(huán)境下運(yùn)動(dòng)，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力。

圖4雙各向異性magLCE的多模式變形

圖5 具有多變形能力和環(huán)境適應(yīng)性的3D打印magLCE條狀機(jī)器人

該工作還展示了基于magLCE的多穩(wěn)態(tài)力學(xué)超材料。超材料具有“軟”和“硬”兩個(gè)部分，其中“硬”的部分可以由magLCE帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，以切換超材料的狀態(tài)。由于magLCE的多刺激響應(yīng)和多模式變形，超材料的狀態(tài)可以通過近紅外光和磁場進(jìn)行遠(yuǎn)程切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超材料的可調(diào)力學(xué)響應(yīng)。本研究的結(jié)果表明，物理場輔助的3D打印可以大大拓寬以magLCE為代表的多功能域材料的制造與編程能力，進(jìn)而在不同外場刺激下實(shí)現(xiàn)可控的多模式響應(yīng)，對軟體機(jī)器人、柔性電子、超材料等領(lǐng)域的發(fā)展起到推動(dòng)作用。

圖6 基于MagLCE的多穩(wěn)態(tài)力學(xué)超材料

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金,科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，安徽省自然科學(xué)基金支持。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系孫宇軒博士是該論文的第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李木軍副教授、王柳特任教授、張世武教授，南方科技大學(xué)劉吉副教授為共同通訊作者。論文作者還包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭晨暉特任教授。