中科大Adv.Mater.：新型鐵磁液晶彈性體的可編程3D打印獲重要進展

來源：高分子科學前沿

智能材料可以在外界刺激下按照預先編程的模式發(fā)生變形，在機器人、可穿戴電子設備和生物醫(yī)療等領域具有廣泛的應用潛力，并向多刺激響應、多模式、多功能的方向發(fā)展。近年來，3D打印技術的發(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材料，缺乏一種可以針對其兩個功能域進行獨立編程的3D打印方法。

針對上述問題，中國科學技術大學工程科學學院張世武教授領銜的機器人與智能裝備所李木軍副教授課題組，聯(lián)合近代力學系王柳特任教授以及南方科技大學劉吉副教授，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，成功實現(xiàn)了液晶取向和磁化強度的獨立編程，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的材料設計，實現(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，磁化強度和液晶取向的方向和大小均可獨立調(diào)節(jié)。結果顯示，在加熱變形的同時，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速度。

圖2 對液晶取向和磁化強度的編程

圖3 magLCE的表征

為預測不同編程模式下magLCE的變形，該工作建立了多物理場有限元模型，以用于magLCE器件的設計。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)的變形溫度實現(xiàn)了順序變形。進一步，設計并制造了一個帶狀機器人。通過磁場和溫度場驅(qū)動，該機器人能夠在不同的地形、溫度和磁場環(huán)境下運動，展現(xiàn)出了強大的環(huán)境適應能力。

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)境適應性的3D打印magLCE條狀機器人

該工作還展示了基于magLCE的多穩(wěn)態(tài)力學超材料。超材料具有“軟”和“硬”兩個部分，其中“硬”的部分可以由magLCE帶動旋轉，以切換超材料的狀態(tài)。由于magLCE的多刺激響應和多模式變形，超材料的狀態(tài)可以通過近紅外光和磁場進行遠程切換，進而實現(xiàn)超材料的可調(diào)力學響應。本研究的結果表明，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，進而在不同外場刺激下實現(xiàn)可控的多模式響應，對軟體機器人、柔性電子、超材料等領域的發(fā)展起到推動作用。

圖6 基于MagLCE的多穩(wěn)態(tài)力學超材料

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