近日，来自哈佛大学的研究人员通过3D打印技术控制一类名为液晶弹性体 (LCE) 的合成软材料的特性，这种材料可以根据热量改变形状，类似于肌肉根据神经系统信号收缩和放松的方式。3D 打印这些材料为从软机器人和假肢到压缩纺织品等应用开辟了新的途径。
要控制这种材料的属性，需要通过 3D 打印机的喷嘴挤压形成弹性体的墨水，从而改变墨水的内部结构，并在分子尺度上排列刚性结构块（称为介晶）。然而，要在这些变形材料中实现特定的、有针对性的排列以及由此产生的属性，需要进行大量的反复试验，才能完全优化打印条件——直到现在。
在一项新研究中，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS)、普林斯顿大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员共同制定了一项计划，用于打印每次都具有可预测、可控制的排列（从而具有特性）的 LCE。通过在打印过程中使用 X 射线表征方法，研究人员能够在微观尺度上量化介晶排列，建立了一个基本框架来指导多尺度快速设计和制造。
通过调整微尺度喷嘴设计、打印速度和温度，可以诱导所需的分子尺度排列，从而转化为宏观尺度上规定的形状变形和机械行为。
△红色由高度排列的分子组成，而黑色由排列较差的分子组成
这项研究以题为“Spatially programmed alignmentand actuation in printed liquid crystal elastomers”的论文发表在《美国国家科学院院刊》上，资深作者是哈佛大学应用科学与工程学院 Hansjörg Wyss 生物启发工程教授 Jennifer Lewis。Lewis 的实验室在 3D 打印油墨的分子和纳米级设计方面拥有数十年的经验，可用于开发新型功能材料。这项研究由前哈佛大学博士后研究员 Emily Davidson 共同领导，她现在是普林斯顿大学的教员，擅长设计、纳米级组装、X 射线表征和软材料 3D 打印。
当液晶部分组成的单个链相互对齐时，LCE 会表现出最佳的变形和机械性能。研究人员通过精细喷嘴打印这些液晶链，从而驱动流动诱导对齐。
第一作者 Rodrigo Telles （SEAS 研究生、学术合作计划学者和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的合作者）说道：“当这个项目开始时，我们根本就不太了解如何在基于挤压的 3D 打印过程中精确控制液晶排列。然而，它们的排列程度会在加热时产生不同程度的驱动和收缩。”
△墨水通过锥形（顶部）和双曲面喷嘴的流动模拟
为了研究打印过程中分子的排列情况，研究人员使用了不同形状的喷嘴——锥形和双曲面。喷嘴形状影响墨水的流出方式，进而控制分子排列。通过改变挤出速度和喷嘴形状，他们能够制造出两种类型的细丝：一种是外层排列良好的分子围绕着排列较差的核心，另一种是整个排列均匀的细丝。
他们的计算和实验表明，喷嘴内的流动类型和速度分布决定了细丝类型。虽然有很多因素很重要，但研究人员表明，他们可以将其中大部分因素组合成一个参数，称为韦森伯格数，以描述不同的打印条件如何排列分子。
戴维森说：“在 3D 打印界，我们大多数人使用相对较少的市售打印头。这项研究向我们表明，关注喷嘴几何形状和流动的细节非常重要，我们可以利用它们来控制材料特性。”
研究团队与美国能源部布鲁克海文国家实验室广角 X 射线散射光束线的研究人员合作，在 3D 打印过程中进行了详细的 X 射线测量。这种方法使他们能够观察喷嘴内部，以使用不同的喷嘴几何形状和流动条件可视化 LCE 排列。X 射线测量帮助他们确定了喷嘴内任何给定位置的液晶分子的精确排列程度，为与可调喷嘴设计和打印参数相关的流动诱导排列提供了路线图。结果表明，双曲面喷嘴比传统喷嘴能产生更好、更均匀的对准效果。
△最右边的 Emily Davidson 和 Rodrigo Telles 与前任和现任布鲁克海文国家实验室研究人员一起在 X 射线仪器旁。从左至右：Benjamin Yavitt、Lutz Wiegart、Guillaume Freychet 和 Mikhail Zhernenkov。来源：哈佛大学。
这项工作为制造具有程序化形状变形和力学的 LCE 结构开辟了新的途径，可用于自适应结构和人造肌肉等应用。
刘易斯说：“通过广角 X 射线散射测量，我们能够‘看’到液晶弹性体，并在打印过程中量化其在微观尺度上的排列，这首次为它们的加工-结构-性能关系提供了基本框架。”
这项研究的支持者包括美国国家科学基金会（通过哈佛材料研究科学与工程中心）和美国陆军研究办公室多学科大学研究计划。另外的资金来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室指导的响应性弹性体结构形状变化研究与开发项目。研究人员利用了布鲁克海文国家实验室国家同步加速器光源 II的能源部资源。
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