《Materials & Design》：4D打印应变光触发液晶弹性体微致动器

【概要描述】

分类：行业动态
发布时间：2023-06-27 10:02
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2023年6月17日，香港理工大学研究人员在《Materials & Design》上发表题为4D direct laser writing of photo-triggered liquid crystal elastomer microactuators with large actuation strain的研究论文，开发了一种新的光响应LC光刻胶，该光刻胶可以通过室温DLW TPP技术制成近红外光响应3D微致动器。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112101

研究简介

采用双光子聚合(DLW-TPP) 4D打印技术制备光触发液晶弹性体(LCEs)微致动器，虽具有操作灵活、可逆性和快速致动能力等优势，但其发展受限于缺乏室温下可打印的液晶(LC)光刻胶。

本研究通过加入新型共轭聚合物(CPs)作为DLW-TPP技术的光热剂，开发了新的光响应LC光刻胶。其中CPs表现出了显著的光热效应，有效地避免了无机纳米颗粒在光刻胶中容易发生的聚集问题。同时CPs的加入降低了LC光刻胶的向列到各向同性温度，这有利于室温下采用DLW-TPP工艺进行制备。

基于研究结果，团队打印出一种CPs/LCEs微致动器，其CPs低至0.3 wt%，在近红外(NIR)光刺激下，该微致动器可以在5 s内达到25.0%的大致动应变，从而可用于新兴的软微型机器人和具有可控制分离能力的微膜。

研究内容解读

本文报道了一种新的光响应LC光刻胶，该光刻胶可以通过室温DLWTPP技术制成近红外光响应3D微致动器。研究人员设计并合成了一种具有D-A型交替骨架结构的新型平面DPP58-TBZ12 CPs作为光热填料。DPP58-TBZ12 CPs具有较宽的近红外吸收范围和较高的光热转换效率，可以很容易地被有机溶剂掺入到LC光抗胶中。

研究人员在DLW-TPP过程中，研究了CPs含量对LC光刻胶热性能、打印参数和打印范围的影响。研究发现，少量的CPs (0.3 wt%)不仅可以降低向列到各向同性的转变温值(TNI)，有利于4D DLW-TPP微加工，且由于其优越的光热效应，微致动器在近红外光刺激下可以快速响应和大规模驱动。

图1 (a) LC单体、交联剂、光引发剂、掺杂剂的化学结构。(b)添加0、0.1 wt%、0.3 wt%和0.5 wt% DPP58-TBZ12 CPs后第1天和第7天的LC光刻胶图像。(c)液晶电池组装示意图和DPP58-TBZ12 CPs/LC光刻胶填充的典型液晶电池。(d)制备微结构的DLW-TPP装置示意图。

图2 (a) CDCl中DPP58-TBZ12 CPs的400 MHz核磁共振谱。(b) DPP58-TBZ12 CPs、LCEs膜和CPs/LCEs膜的ATR-FTIR光谱。(c) DPP58、TBZ12和DPP58-TBZ12 CPs(浓度=0.05 mg/mL，溶解在THF中)的紫外-可见-近红外吸收光谱。

图5 (a) 3.7 μm半径逆蛋白石结构单元的三维模型设计。(b)使用DLW-TPP技术制备的0.3 wt% CPs/LCEs微结构在不同激光功率(3.5 ~ 21 mW，间隔3.5 mW)和不同扫描速度下的扫描电镜(SEM)图像。还显示了曝光不足、曝光充分和曝光过度的微结构，以确定打印参数。(c)在相同的激光功率和扫描速度下，使用DLW-TPP制备的0.5 wt% CPs/LCEs微结构的SEM图像。

图6 (a)设计的微致动器俯视图，由两层三维反蛋白石结构组成，半径为3.7 μm。(b) 0.3 wt% CPs/LCEs多孔微观结构的SEM图像。插图是结构的放大视图。(c-d)打印的CPs/LCEs微结构的偏振光显微镜照片，沿分析仪“A”摩擦方向，相对于偏振光片“P”旋转45°。白色箭头表示涂有pl的玻璃的摩擦方向。比例尺:50μm。

图7 (a)近红外光开关下CPs/LCEs微致动器的可逆光热驱动方式和相应的LCEs聚合物网络中介质的可逆重排机制。(b)将微致动器固定在空气中的钢尖上，用近红外激光照射。比例尺:50μm。(c)不同近红外激光功率强度下微致动器平衡态照片。比例尺:50μm。(d)不同激光功率强度下CPs/LCEs微执行器的最大驱动应变。(e)不同激光功率强度下CPs/LCEs微致动器在平行和垂直方向上的驱动应变随时间的变化。(f)近红外光(808 nm, 173 mW/mm2)开/关触发的微执行器可逆收缩应变(开:5 s;灭:4秒)。

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