TU Eindhoven研究人員發(fā)表關于液晶4D打印的綜述

2021年11月2日，南極熊獲悉，來自埃因霍溫科技大學（TU Eindhoven）的研究人員發(fā)表了一份最新的關于液晶增材制造領域的全面報告。

液晶是一類表現出傳統(tǒng)液體和固體晶體特性的材料。液晶除了作為液晶顯示器（LCD）的關鍵組成部分，還是一種智能材料，在從光反射器和可切換的窗戶到太陽能電池板等方面都有著先進的應用。

當與3D打印結合使用時，液晶可以在干燥和潮濕的環(huán)境中實現可編程、可逆、各向異性的驅動，使其成為具有非常強大的4D能力的"刺激-反應材料"。潛在的增材制造用例清單包括能源生產、傳感，甚至是軟體機器人。

與傳統(tǒng)的學術綜述不同，埃因霍溫大學的論文不僅僅是列出該領域值得注意的研究項目，而且是旨在作為非專業(yè)人士的手冊。

博士四年級學生、該評論的合著者Jeroen Sol寫道："這份報告可以讓讀者全面了解液晶在增材領域的選擇和挑戰(zhàn)，同時鼓勵已經在液晶或增材制造方面有經驗的研究人員進一步了解全文，看看他們如何將增材制造或液晶融入自己的工作�！�

△4D打印的液晶軟體機器人可以用熱、紫外光和其他機制來驅動。圖片來自埃因霍溫大學。

液晶排列的重要性

這篇報告指出，液晶的分子順序是影響其各向異性質量的主要因素，并對其對刺激的反應方式有重大影響。因此，在3D打印過程中控制分子排列是至關重要的（特別是對于4D應用），但有幾種常見的方法可以做到這一點。

最廣泛使用的使液晶中的分子對齊的方法之一是使用化學表面處理。這種方法通常利用一個在頂部和底部表面有排列層的玻璃單元。一旦細胞冷卻到液晶階段，就可以使分子發(fā)生相變并以預定的方式完成自發(fā)組織。液晶也可以通過在3D打印過程中施加電場或磁場，或利用機械力場（如剪切和伸長）來排列。

4D打印液晶的應用

該文件還繼續(xù)討論了4D打印液晶結構的一些更先進的應用，首先是軟機器人。在軟體機器人中，液晶材料的收縮條被用作人工肌肉。這些人工肌肉通常通過熱能、光照或濕度暴露來驅動，并且可以單獨進行3D打印，或將其編織在一起以嵌入額外的智能特性。

增材制造的液晶也有可能應用于動態(tài)生物醫(yī)學植入物。雖然它們還沒有被批準用于人體植入物，但論文指出，先前的研究表明，這些材料可能具有一定程度的生物相容性。例如，通過像直接墨水書寫這樣的工藝，有可能打印出一種泌尿系統(tǒng)植入物，當被紅外光照射時具有可控制的熱收縮（紅外光能很好地穿過皮膚）。

最后，液晶也可以通過3D打印用于光子設備，因為它們在光學設備中有著廣泛的傳統(tǒng)用途。事實上，在埃因霍溫大學團隊進行的一項單獨實驗中，就已經開發(fā)了一種新型變色液晶墨水，用于微擠壓。這種墨水的靈感來自于彩虹色材料，如珠寶甲蟲的外表，預計將對裝飾性照明甚至增強現實光學產生影響。

△使用彩虹色液晶墨水3D打印的蝴蝶。照片來自埃因霍溫科技大學。

更多的話題，如3D打印方法、打印參數細化和液晶驅動方法，可以在題為《‘4D Printing of Liquid Crystals: What’s Right for Me》的論文中找到。

相關論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104390

光學設備的3D打印是增材制造中的一個前沿領域。今年早些時候，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究人員開發(fā)了一種3D打印光子晶體纖維（一種特殊類型的光纖）的新方法。該團隊為該項目建造了一臺專門基于SLA的3D打印機，這款打印機使科學家們能夠以從前不可能完成的內部幾何形狀定制他們的光纖。

在其他地方，來自弗萊堡大學和3D打印機制造商Nanoscribe的科學家最近利用雙光子聚合技術，以亞微米的分辨率制造玻璃硅微結構。該團隊認為，在未來，他們獨特的打印、脫膠和燒結過程可以被用來生產具有潛在生物醫(yī)學應用的下一代微光學器件。