​用于自由形式驱动的3D打印光响应液晶弹性体复合材料！

来源：材料科学与工程

液晶弹性体(LCEs)是刺激响应材料，具有固有的各向异性，并提供可逆驱动，具有大的各向异性变形(高达500%应变)，这是由加热到各向异性到各向同性转变温度(TNI)以上时的预对准的介元的重新定向造成的。由于可以通过控制LC介质的内部取向来控制LCEs的力学响应，因此可以实现复杂的形状变形。它们对包括人工肌肉和软机器人在内的潜在应用具有吸引力。为了实现预期的驱动响应，精确设计LCE的对准是至关重要的。由于LC分子与对齐层的指令面之间存在有限的相互作用，通过光对齐或微通道进行的表面对齐仅限于薄层(通常小于100 μm)。液晶弹性体 （LCE） 的直接墨水写入为针对软机器人等应用的各种形状转换模式的几何形状编程提供了新的机会。到目前为止，大多数3D打印的LCE都是热驱动的。

来自宾夕法尼亚大学的学者开发了一种可3D打印的光响应金纳米棒（AuNR）/LCE复合墨水，允许AuNR低至0.1 wt.%的3D打印结构的光热驱动。结果表明，在最佳印刷条件下，在1.4 W cm−2（相当于160 °C）下照射近红外（NIR）光（808 nm）时，印刷的弗拉门特具有优异的光热响应和27%的致动应变。通过控制暴露在NIR激光下的区域，可以将3D打印的复合材料结构全局或局部驱动成不同的形状。利用3D打印实现的定制结构和控制局部曝光的能力，同时展示了一种光响应软机器人，它可以在棘轮表面上爬升，最大速度分别为0.284 mm s−1（在平面上）和0.216 mm s-1（在30°表面上），相当于每分钟0.428和0.324体长。相关文章以“3D-Printed Photoresponsive Liquid Crystal Elastomer Composites for Free-Form Actuation”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202210614

图1.a） AuNR/LCE 墨水的 DIW 打印示意图和 AuNR/LCE 墨水的分子结构。b） 完全交联后 3D 打印的 AuNR/LCE 的紫外-可见光谱。c） AuNR/LCE油墨的粘度与不同温度下的剪切速率的关系。

图2.a） AuNR/LCE 墨水和完全交联的 AuNR/LCE 弗拉门特的 DSC 曲线。b） 打印速度和喷嘴直径d对AuNR/LCE火焰管驱动应变的影响。c） 3D打印的AuNR / LCE火焰在具有不同喷嘴直径的不同打印速度下的光学图像。d） 施加到AuNR / LCE火焰的驱动应变与温度的关系（使用0.410 mm喷嘴在5 mm s−1下打印）。e，f）3D打印的AuNR / LCE弗拉门特的WAXRD图案（e）和方位角（f）。g） 拉伸试验中 3D 打印的 AuNR/LCE的应力-应变。

图3.a）3D打印的AuNR / LCE火焰与800nm处的光强度的温度变化。b）在800 nm下不同光强度下，3D打印的AuNR / LCE火焰体的温度变化与曝光时间的关系。c） 在室温和近红外光驱动时设计双层结构及其形态。d） 通过控制暴露在花朵上的近红外光，对花朵结构进行全局 （1.4 W cm−2） 和局部 （1.3 W cm−2） 驱动。

图4.a） 软机器人在平面和棘轮表面上行走的机构示意图（棘轮角度 15°，周期性 4 mm）。 b） 软机器人在 30° 倾斜棘轮表面上攀爬的快照（棘轮角度 15°，周期性 4 毫米）。

图5.a） 不同倾斜角度与不同弯曲角度的软机器人在棘轮表面上的速度（棘轮角度 15°，周期性 4 mm）。b） 软机器人在棘轮表面上的速度（周期性 4 mm），具有不同的倾斜角度与不同的棘轮角度。c）不同倾斜角度与不同周期性的软机器人在棘轮表面（棘轮角度15°）上的速度。d）在类似机制下，本研究的3D打印AuNR / LCE与其他LCE系统之间的软机器人速度与其体重的比较。

综上所述，本研究成功研制了一种可3d打印的光响应AuNR/LCE复合油墨。通过调整油墨配方和喷管尺寸、打印速度和打印温度等打印参数，发现3d打印的AuNR/LCE胶条(低至0.1 wt.% AuNR)可达到27%的驱动应变。由于聚乙二醇修饰的AuNR分散性好，光热性能好，在1.4 W cm−2的近红外光(808 nm)照射下，AuNR/LCE火焰可达到160°C。为了减少高温下AuNR的潜在重塑，本研究将辐照时间控制在<5 min，温度控制在180℃以下。
利用DIW的可定制打印结构和近红外光的局部驱动，本研究展示了3d打印的AuNR/ LCE花瓣，其花瓣可以在全球或单独“绽放”。

此外，3d打印的双分子层带材可以作为一个柔软的机器人步行者，在平面上以0.284 mm s−1(或0.428体长/ min)的速度爬上棘轮表面，在近红外光源的局部控制下，当表面倾斜30°时，以0.216 mm s−1(或0.324体长/ min)的速度爬上棘轮表面。这项工作扩展了可打印LCE油墨的范围。通过光的调制，可以产生更多的变形模式，以创建复杂的形状和指导运动。（文：SSC）