黑科技!利用灰度4-D打印技术制备出可逆变形的活性材料

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printing reversible shape changing materials with light-based grayscale patterning,由材料科技在线汇总整理. 材料科技在线 gh_1103…

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黑科技!利用灰度4-D打印技术制备出可逆变形的活性材料


灰度4D打印技术a1)具有数字光处理(DLP)的方法的示意图,a2)用于打印的代表性灰度模式,a3)具有不同交联密度的印刷结构的示意图,a4)在水中脱溶后的弯曲的结构,a5 )该结构可以在丙酮中回收,b)灰度打印结构的示例设计,c)具有不同灰度值的弯曲变形的可变性。


可逆形变是应用在诸多生物医学领域中非常重要的一种特性,例如在机械制动器、软体机器人以及人造肌肉等方面的应用。一些材料在受到光照射时可以发生尺寸或形状的改变,从而可以达到不用相互接触就可以引发机械变形现象,这为遥控领域的发展提供了无限可能。为了设计出这种可逆形变(RSC)结构,科学家把可以响应外部光,热或电场等刺激的活性材料与其他非活性材料结合一起进行使用。尽管先进的多材料三维打印技术可以设计和制造出RSC结构,但只限用于印刷特定的材料,这就限制了该结构的广泛应用。


近日,科学家们提出了一种更简单的方法作为理想的替代方案,他们使用“灰度模式”来控制投影图案在光聚合物或光活化树脂上的光强度分布,并诱导交联从而创建可逆、自折叠或展开的二维折纸结构。此外,不同的光强会导致在光固化聚合物片材中的交联密度也不相同。在一项新研究中,Qi和同事将控制光强分布的灰度模式从二维表面转移到三维打印中,从而可以逐层地打印RSC结构。如果灰度模式设计得完善,在时间的范围内(既第四维)各种具有可逆收缩和膨胀能力的三维结构的4-D行为就可能会实现。他们将自己的研究成果发表在杂志IOP Science《多功能材料》上。


为了证明这套理论的可行性,研究人员使用以紫外线为投影光源的数码光处理(DLP)打印机,打印出由聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、甲基丙烯酸丁酯(BMA)、丙烯酸丁酯(BA)、光引发剂和光吸收剂组成的光固化液体树脂聚合物。整个过程包括:首先设计感兴趣的结构并将其处理成对应于每个印刷层的图片。再利用Matlab对每幅图像在不同空间位置所设计的灰度值进行处理,并传递到紫外投影仪进行打印。材料制备的原理是基于光辐射会对液体树脂溶液产生光致硬化现象。制备的产品在不同空间位置具有不同的交联密度的结构,这样就可以实现可逆的形状变化。


当打印出的结构浸入水浴中时,则会发生脱溶的过程。这是因为异相交联材料中的小低聚物会扩散到结构外部,使得打印结构向固化程度较低的部分发生变形。而且在设计灰度模式的基础上,通过脱溶引起的变形就可以产生各式的自折叠结构。


在丙酮溶液中,此结构的形状变化是可逆的,并且速度相对较快;因为在溶液中,结构会吸收溶剂发生溶胀同时还可以在溶液中恢复到原始的形状。当从丙酮中取出结构后,结构将会发生二度弯曲,则在空气中就能转化成其二级结构。


从原理上讲,切片图像的每一个像素的灰度值会控制着印刷过程中的光强度或光剂量,既而影响了材料的最终转化率。使用数字化过程可以精确控制灰度模式和由此产生的构造。利用ATR-FTIR法(傅里叶变换衰减全反射红外光谱法)表征了这个新开发的材料,以测量光聚合样品的固化度(DoC),然后再测量该结构的杨氏模量以检验材料刚度,光固化反应动力和脱溶与恢复的程度。


黑科技!利用灰度4-D打印技术制备出可逆变形的活性材料


印刷灰度模式的可逆图案转换:(a-c)使用灰度图片模式,作者构造了不同的形状,可以在水和丙酮中可逆地改变形状,在空气中恢复弯曲的形状。


可以响应外界刺激并能进行可逆形变或功能转变的活性结构,在航空航天工程、医疗器械和柔性电子(如形状记忆聚合物)等领域中应用广泛。自膨胀/收缩结构可用作光致动器,还可以作为血管内支架。在此研究中,这些设计也在可以作为自膨胀/收缩材料应用在灰度4-D打印技术中。此外,在丙酮溶液中活性结构转化时间为6分钟,在空气中为25分钟。然后使用相同的方法可以将此活性结构的应用从平坦表面延伸到立方体形中,那么其在丙酮中的回收时间变为4分钟,而在空气中的干燥时间缩为8分钟。使用相同的方法,Wu等人还制备了花状结构,这种结构能在溶液中收缩,在空气中如花瓣绽放。


研究人员还利用打印技术开发了先进的辅助结构或超材料(其本质上具有负泊松比),并将其与普通材料(正泊松比)进行结合,从而设计两者之间的转换。


黑科技!利用灰度4-D打印技术制备出可逆变形的活性材料


正常和拉胀结构之间的转换:a)拉胀结构的原始设计(灰度,紫色成分可见白色),b)印刷结构,c)压缩下看到的正常材料特性,d)脱溶后的材料,e )在压缩下看到的变形特性。


灰度4-D打印方法作为原理证明而被开发,这种技术可以提供一种简单和经济的技术来制备活性结构。作者提出了工程材料作为复合材料在软体机器人和血管支架等生物医学领域内还具有潜在的应用。


文章来自phys.org,原文题目为:4-D printing reversible shape changing materials with light-based grayscale patterning,由材料科技在线汇总整理。

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