中科大Adv.Mater.：新型铁磁液晶弹性体的可编程3D打印获重要进展

来源：高分子科学前沿

智能材料可以在外界刺激下按照预先编程的模式发生变形，在机器人、可穿戴电子设备和生物医疗等领域具有广泛的应用潜力，并向多刺激响应、多模式、多功能的方向发展。近年来，3D打印技术的发展为智能材料的自由编程带来了可能。然而，目前的可编程3D打印主要针对单一功能域的智能材料（如液晶弹性体）。对于以铁磁液晶弹性体（magLCE）为代表的多刺激响应材料，缺乏一种可以针对其两个功能域进行独立编程的3D打印方法。

针对上述问题，中国科学技术大学工程科学学院张世武教授领衔的机器人与智能装备所李木军副教授课题组，联合近代力学系王柳特任教授以及南方科技大学刘吉副教授，提出了一种magLCE的双各向异性可编程3D打印方法。通过在挤出式打印的过程中调控外磁场和打印速度，成功实现了液晶取向和磁化强度的独立编程，以及制件在不同外场刺激（热、光、磁）下的可控多模式变形（图1）。该论文于2023年7月14日以"3D-printed ferromagnetic liquid crystal elastomer with programmed dual anisotropy and multi-responsiveness"为题接收发表于Advanced Materials。

图1 magLCE的可编程双各向异性3D打印及其多模式变形

首先通过magLCE的材料设计，实现了其在紫外光照下的快速固化，以保证其编程的局域性。通过对打印过程中磁场和和打印速度的控制，磁化强度和液晶取向的方向和大小均可独立调节。结果显示，在加热变形的同时，magLCE仍拥有磁变形能力，且表现出目前3D打印智能材料中最高的能量密度和响应速度。

图2 对液晶取向和磁化强度的编程

图3 magLCE的表征

为预测不同编程模式下magLCE的变形，该工作建立了多物理场有限元模型，以用于magLCE器件的设计。之后，该工作展示了一系列magLCE在不同外场顺序下的多模式变形，还通过调控液晶弹性体基质的变形温度实现了顺序变形。进一步，设计并制造了一个带状机器人。通过磁场和温度场驱动，该机器人能够在不同的地形、温度和磁场环境下运动，展现出了强大的环境适应能力。

图4双各向异性magLCE的多模式变形

图5 具有多变形能力和环境适应性的3D打印magLCE条状机器人

该工作还展示了基于magLCE的多稳态力学超材料。超材料具有“软”和“硬”两个部分，其中“硬”的部分可以由magLCE带动旋转，以切换超材料的状态。由于magLCE的多刺激响应和多模式变形，超材料的状态可以通过近红外光和磁场进行远程切换，进而实现超材料的可调力学响应。本研究的结果表明，物理场辅助的3D打印可以大大拓宽以magLCE为代表的多功能域材料的制造与编程能力，进而在不同外场刺激下实现可控的多模式响应，对软体机器人、柔性电子、超材料等领域的发展起到推动作用。

图6 基于MagLCE的多稳态力学超材料

以上工作得到了国家自然科学基金,科技部国家重点研发计划，安徽省自然科学基金支持。中国科学技术大学精密机械与精密仪器系孙宇轩博士是该论文的第一作者，中国科学技术大学李木军副教授、王柳特任教授、张世武教授，南方科技大学刘吉副教授为共同通讯作者。论文作者还包括中国科学技术大学彭晨晖特任教授。