科学家打造复合冷场3D打印策略，实现自发3D形变与双向可编程驱动

市场资讯2025-06-29

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打印（S=0.013）提升 3000%。第二，他们实现了自发 3D 形变与双向可编程驱动。利用打印过程中 NAT-LCEs 的相变温度的偏移现象，让打印的 2D 平面结构在脱离平台后，自发形变为预设的 3D 结构。进一步地，他们通过环境温度调控实现了双向可逆形变。第三，他们实现了梯度材料与功能器件的创新。通过调控针头与平台温度，他们实现了 NAT-LCEs 的梯度性能设计，在单一构件中集成了多区域差异化取向，支持复杂形变模式。同时，他们开发了基于 3D 打印 NAT-LCEs 的生物兼容可穿戴器件，经过优化设计的腕带系统可自动贴合人体皮肤，通过温度响应形变增强心率信号监测精准度，验证了其在医疗监测与自适应穿戴设备中的应用潜力。总结来说，本次研究不仅突破了兼顾 NAT-LCEs 高取向度与复杂 3D 结构的制造难题，还揭示了相变温度动态调控驱动自发形变的机制，为智能材料在软体机器人、生物医疗等领域的应用开辟了新途径。（来源：ACS Nano）据介绍，本研究针对 NAT-LCEs 在制造兼具可编程结构与高取向度性能的关键瓶颈展开。其背景与动机可归纳为以下三点：首先，解决应用需求与材料特性矛盾。NAT-LCEs 因其近环境温度的相变特性，在生物兼容设备、低功耗软体机器人等领域潜力显著。然而，传统 LCEs 的相变温度需高能量输入且存在生物安全隐患，限制了其实际应用。尽管近年研究工作通过化学改性已将 TNI 降至近环境温度，但如何同时实现高取向度与复杂 3D 结构的制造仍是核心挑战。其次，解决现有制造技术的“双维度局限”。模塑法虽能调控液晶基元排列，但仅能生成简单单轴/旋转取向的 2D 结构，无法构建 3D 复杂形状。直写 3D 打印（DIW，Direct Ink Writing）虽可通过挤出路径编程液晶基元排列，但常温打印时墨水黏度低、剪切应力不足，导致取向度极低，且紫外固化过程放热会破坏基元有序性。再次，挖掘相变温度动态调控的未开发潜力。现有研究观察到低聚物墨水固化前后 TNI 存在 5-35℃的差异，但未利用此特性实现打印过程中的自发 3D 形变。此外，由于室温在 NAT-LCEs 的温度响应区间内，使之具备双向形变潜力，但传统高转变温度 LCEs 无法体现这一特性。研究中，他们所面临的问题是：如何通过工艺创新在 3D 打印中同步实现液晶基元高取向与复杂结构？以及能否利用 NAT-LCEs 的相变温度偏移特性和近室温特点，开发自发形变与双向驱动功能？为此，他们采用液体冷却系统，确保墨水挤出时处于向列相，通过剪切应力诱导液晶基元沿流动方向排列，并利用半导体制冷快速锁定取向，避免紫外固化放热破坏介晶有序性。通过此，他们实现了双温区协同控制的 DIW 3D 打印机，实现打印过程温度梯度场（5–25℃）的精确调控。同时，他们通过迈克尔加成反应合成了低聚物墨水，混合了液晶单体、链延伸剂以及光引发剂。另外，他们还优化单体比例，将墨水相变温度降至 15.6℃，确保其在近室温下响应。然后，他们通过流变实验验证剪切稀化效应确定可打印性，研究低温对 NAT-LCE 墨水剪切取向增强的影响。其发现，打印过程中墨水固化引发相变温度从 15.6℃ 升至 45℃，这样一来打印的 2D 平面结构在脱离平台之后，会自发形变为预设的 3D 结构。此外，他们还利用相变温度响应区间涵盖室温的特性，实现 NAT-LCEs 在升温与降温时的双向驱动。并通过调节针头与平台温度，在单一构件中集成多区域差异化取向。接着，他们开发了基于 3D 打印 NAT-LCEs 的自适应心率监测腕带，利用材料近体温响应特性，腕带可以在需要时自动加热收缩，并能增强信号采集精准度。总的来说，这项研究推动了 NAT-LCEs 在软体机器人、生物医疗等领域的应用从实验室向产业化迈进。日前，相关论文以《近环境响应性液晶弹性体的 3D 打印，其具有增强的向列相秩序和多态转变特性》（3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation）为题发在ACS Nano[1]，中国科学技术大学硕士生李东晓、孙宇轩博士为论文共同第一作者，中国科学技术大学李木军教授、张世武教授和孙宇轩博士担任共同通讯作者 [1]。图 | 相关论文（来源：ACS Nano）参考资料：1.Li, D., Sun, Y., Li, X., Li, X., Zhu, Z., Sun, B., ... & Li, M. (2025). 3D printing of near-ambient responsive liquid crystal elastomers with enhanced nematic order and pluralized transformation.ACS Nano,19(7), 7075-7087.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c15521排版：刘雅坤、何晨龙\n\n\n海量资讯、精准解读，尽在新浪财经APP","kind":"news","is_publish_news":true,"is_publish_highlight":false,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":1,"need_auth":false,"code":"91000000","status":"200"},"commentList":[],"isCommentEnd":true,"newsSizeData":{"likeSize":0,"commentSize":0,"repostSize":0,"favoriteSize":0,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false},"APP":{"userAgent":"Mozilla/5.0 AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko; compatible; ClaudeBot/1.0; +claudebot@anthropic.com)","isDev":false,"isTTM":false,"tenantId":"TBCN","deviceId":"web-server-community-laohu8-v3","version":"4.36.2","shortVersion":"4.36.2","platform":"web","vendor":"web","appName":"laohu8","isIOS":false,"isAndroid":false,"isTiger":false,"isTHS":false,"isWeiXin":false,"isWeiXinMini":false,"isWeiBo":false,"isQQ":false,"isBaiduSwan":false,"isBaiduBox":false,"isDingTalk":false,"isToutiao":false,"isOnePlus":false,"isHuaWei":false,"isXiaomi":false,"isXiaomiWebView":false,"isOppo":false,"isVivo":false,"isSamsung":false,"isMobile":false},"href":"/m/news/2547016700","isCrawlerRequest":true}