中國科大李木軍團(tuán)隊(duì) ACS Nano:復(fù)合冷場3D打印液晶彈性體實(shí)現(xiàn)近環(huán)境溫度響應(yīng),智能手環(huán)精準(zhǔn)監(jiān)測心率!
近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院及人形機(jī)器人研究院的李木軍研究團(tuán)隊(duì)提出一種復(fù)合冷場3D打印技術(shù),成功制備具有高取向序參數(shù)和多元形變能力的近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體(NAT-LCEs),并基于此開發(fā)了一種具有增強(qiáng)心率監(jiān)測精度的腕帶系統(tǒng)。該技術(shù)促進(jìn)了軟機(jī)器人技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展。成果以"3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation"為題發(fā)表在國際期刊《ACS Nano》上。
近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體(NAT-LCEs)因其在生物兼容設(shè)備、低功耗器件和軟體機(jī)器人領(lǐng)域的巨大潛力而備受關(guān)注。然而,傳統(tǒng)制造方法在可編程性(如模塑成型法)或取向序參數(shù)(如直接墨水書寫3D打印法)等方面存在明顯局限。針對上述挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊(duì)提出了一種復(fù)合冷場3D打印技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了高性能NAT-LCEs的可編程打印,顯著提升了近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體的取向序參數(shù),并賦予其復(fù)雜形狀成型和形變能力。
技術(shù)突破亮點(diǎn)
3000%性能飛躍
傳統(tǒng)液晶彈性體需要70℃以上高溫才能變形,嚴(yán)重制約實(shí)際應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用"低溫噴嘴+冷卻平臺"雙冷場調(diào)控:
1.取向序參數(shù)提升3000%(0.013→0.406)
2.實(shí)現(xiàn)室溫自發(fā)3D成型與雙向形變
3.開發(fā)出能主動貼合皮膚的智能監(jiān)測腕帶
三大創(chuàng)新突破
1.精準(zhǔn)分子操控:通過5℃低溫打印精確控制與鎖定液晶基元排列
2.智能形變編程:打印結(jié)構(gòu)可隨溫度變化呈現(xiàn)螺旋、鞍形、"USTC"字母等復(fù)雜變形
3.生物兼容應(yīng)用:材料響應(yīng)溫度完全適配人體耐受范圍
圖1:復(fù)合冷場3D打印系統(tǒng)原理
本研究的核心技術(shù)突破在于創(chuàng)新的溫度場調(diào)控系統(tǒng)。通過液冷打印頭(5℃)與半導(dǎo)體冷卻平臺(5℃)協(xié)同作用,在墨水?dāng)D出階段通過低溫維持高粘度促進(jìn)液晶分子定向排列,在UV固化階段快速散熱避免熱擾動。對比傳統(tǒng)室溫打印圖(D),新方法使液晶基元取向序參數(shù)提升30倍。
圖2. 溫度對NAT-LCE材料性能的調(diào)控規(guī)律
研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)揭示了溫度-剪切力-材料性能的耦合機(jī)制。流變實(shí)驗(yàn)顯示:冷場顯著增強(qiáng)剪切誘導(dǎo)排列效果。通過調(diào)控噴嘴溫度(Tn)與平臺溫度(Tp)組合,可實(shí)現(xiàn)從各向同性(Tn=25℃,Tp=25℃)到高度取向(Tn=5℃,Tp=5℃)的精確調(diào)控,對應(yīng)形變應(yīng)變從0%躍升至37.3%,為復(fù)雜結(jié)構(gòu)編程奠定基礎(chǔ)。
圖3. 可編程多元形變展示
基于溫度響應(yīng)相變特性,打印結(jié)構(gòu)展現(xiàn)多元形變:圓盤狀樣品在室溫下自發(fā)形成馬鞍形(應(yīng)變14%),降溫至10℃曲率增大,加熱至60℃則變?yōu)殄F形;正交排列的雙層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)可逆螺旋變形;網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在20-60℃區(qū)間展示出雙向伸縮特性。這種"環(huán)境自適應(yīng)"特性使其在軟體機(jī)器人領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
圖4:梯度性能智能材料制備
通過動態(tài)調(diào)節(jié)打印溫度,實(shí)現(xiàn)單件樣品內(nèi)的性能梯度分布。以"USTC"字母結(jié)構(gòu)為例:通過分層打印時改變溫度參數(shù),使頂層產(chǎn)生收縮應(yīng)變,底層保持穩(wěn)定,在60℃水中呈現(xiàn)精準(zhǔn)可控的卷曲變形。有限元模擬與實(shí)驗(yàn)高度吻合,證實(shí)該技術(shù)可制備復(fù)雜功能器件。
圖5. 智能心率監(jiān)測腕帶系統(tǒng)
集成液態(tài)金屬加熱電路的LCE腕帶展現(xiàn)可穿戴設(shè)備應(yīng)用:PID溫控系統(tǒng)使材料在50℃時產(chǎn)生收縮力,使腕帶主動貼合手腕。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示,收緊狀態(tài)下顯著提高了測量精度并降低了噪聲,1000次疲勞測試后性能無衰減。這項(xiàng)技術(shù)為可穿戴設(shè)備帶來"自適應(yīng)穿戴"新范式。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李木軍副教授、張世武教授、孫宇軒博士后為論文通訊作者,碩士研究生李東曉,孫宇軒博士后為論文共同第一作者。正如通訊作者李木軍所言:“這項(xiàng)突破讓智能材料真正擁有了''環(huán)境感知力'',我們將繼續(xù)探索其在人機(jī)交互、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域的深度應(yīng)用。”
論文信息
標(biāo)題:3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation
期刊:ACS Nano
鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15521