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  智能器件在科學前沿領域有著廣泛的應用，例如溫控開關、傳感器與制動器和仿生機器人等，其形狀會直接影響其功能。由于制備模具和脫模過程比較繁瑣和困難，傳統的模塑法不能滿足日新月異的智能設備的制造。3D打印技術可以制備高度復雜的定制產品，在生物醫療、航天器和軟體機器人等領域有著廣闊的應用前景。但由于其層層疊加的特性，目前3D打印仍然受限于打印速度慢，打印材料選擇面窄等問題。

  近年來，圍繞以上問題，浙江大學化學工程聯合國家重點實驗室謝濤課題組開展了一系列工作。受非均質二維平面在釋放內應力后轉變為三維結構這一現象的啟發，結合數字化光固化工藝，實現了聚合物的超快速三維成型（Adv. Mater. 2017, 29, 1605390）。在此次工作中，研究人員使用兩種截然不同的水凝膠體系和溶脹石蠟體系說明了該技術的通用性。

圖1. 制備過程的示意圖與單體和交聯劑的化學結構

  近日，該團隊成功將上述技術應用于形狀記憶聚合物的制備。形狀記憶聚合物為丙烯酸甲酯、丙烯酸異冰片酯與1,6-乙二醇二丙烯酸酯的共聚物。研究人員系統地研究了該形狀記憶聚合物前驅液的光固化動力學、曝光參數與聚合物性能之間的關系。上述原料構成的聚合物前驅液在具有特定圖案和灰度的數字光源下進行曝光、固化得到二維聚合物薄膜，該薄膜經過殘留單體脫除后將轉變為預設的三維結構。數字化灰度曝光起到兩方面作用，一是賦予形狀記憶聚合物一個復雜的三維結構，二是在得到的形狀記憶聚合物中實現區域性的熱力學性能（相轉變溫度、模量、斷裂伸長率等）差異。進一步地，研究人員還探索了該技術在三維光學器件與柔性電子器件方面的應用。

圖2. 材料的形狀記憶性能

圖3. 數字化形狀記憶聚合物的潛在功能展示

  利用該方法制備具有先進功能的結構復雜智能設備展示出了普適性與簡便性。同時，其中的化學設計可以拓展到一系列不同的材料中。

  相關工作以題目為“4D Printing of a Digital Shape Memory Polymer with Tunable High Performance”的研究論文已發表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（DOI：10.1021/acsami.9b11062）上。博士生張玥為第一作者，通訊作者為謝濤教授與吳晶軍博士。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11062

  Zhang Y, Huang LM, Song HJ, Ni CJ, Wu JJ,* Zhao Q, Xie T.*

  4D Printing of a Digital Shape Memory Polymer with Tunable High Performance.

  ACS Appl. Mater. Inter., 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b11062