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中國(guó)科大李木軍團(tuán)隊(duì) ACS Nano：復(fù)合冷場(chǎng)3D打印液晶彈性體實(shí)現(xiàn)近環(huán)境溫度響應(yīng)，智能手環(huán)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)心率！

2025-02-18 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：復(fù)合冷場(chǎng)3D打印液晶彈性體近環(huán)境溫度響應(yīng) 智能手環(huán) 精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)心率

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院及人形機(jī)器人研究院的李木軍研究團(tuán)隊(duì)提出一種復(fù)合冷場(chǎng)3D打印技術(shù)，成功制備具有高取向序參數(shù)和多元形變能力的近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體（NAT-LCEs），并基于此開(kāi)發(fā)了一種具有增強(qiáng)心率監(jiān)測(cè)精度的腕帶系統(tǒng)。該技術(shù)促進(jìn)了軟機(jī)器人技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展。成果以"3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation"為題發(fā)表在國(guó)際期刊《ACS Nano》上。

近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體（NAT-LCEs）因其在生物兼容設(shè)備、低功耗器件和軟體機(jī)器人領(lǐng)域的巨大潛力而備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)制造方法在可編程性（如模塑成型法）或取向序參數(shù)（如直接墨水書(shū)寫(xiě)3D打印法）等方面存在明顯局限。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種復(fù)合冷場(chǎng)3D打印技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了高性能NAT-LCEs的可編程打印，顯著提升了近環(huán)境溫度響應(yīng)液晶彈性體的取向序參數(shù)，并賦予其復(fù)雜形狀成型和形變能力。

技術(shù)突破亮點(diǎn)

3000%性能飛躍

傳統(tǒng)液晶彈性體需要70℃以上高溫才能變形，嚴(yán)重制約實(shí)際應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用"低溫噴嘴+冷卻平臺(tái)"雙冷場(chǎng)調(diào)控：

1.取向序參數(shù)提升3000%（0.013→0.406）

2.實(shí)現(xiàn)室溫自發(fā)3D成型與雙向形變

3.開(kāi)發(fā)出能主動(dòng)貼合皮膚的智能監(jiān)測(cè)腕帶

三大創(chuàng)新突破

1.精準(zhǔn)分子操控：通過(guò)5℃低溫打印精確控制與鎖定液晶基元排列

2.智能形變編程：打印結(jié)構(gòu)可隨溫度變化呈現(xiàn)螺旋、鞍形、"USTC"字母等復(fù)雜變形

3.生物兼容應(yīng)用：材料響應(yīng)溫度完全適配人體耐受范圍

圖1：復(fù)合冷場(chǎng)3D打印系統(tǒng)原理

本研究的核心技術(shù)突破在于創(chuàng)新的溫度場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)。通過(guò)液冷打印頭（5℃）與半導(dǎo)體冷卻平臺(tái)（5℃）協(xié)同作用，在墨水?dāng)D出階段通過(guò)低溫維持高粘度促進(jìn)液晶分子定向排列，在UV固化階段快速散熱避免熱擾動(dòng)。對(duì)比傳統(tǒng)室溫打印圖（D），新方法使液晶基元取向序參數(shù)提升30倍。

圖2. 溫度對(duì)NAT-LCE材料性能的調(diào)控規(guī)律

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)揭示了溫度-剪切力-材料性能的耦合機(jī)制。流變實(shí)驗(yàn)顯示：冷場(chǎng)顯著增強(qiáng)剪切誘導(dǎo)排列效果。通過(guò)調(diào)控噴嘴溫度（T_n）與平臺(tái)溫度（T_p）組合，可實(shí)現(xiàn)從各向同性（T_n=25℃，T_p=25℃）到高度取向（T_n=5℃，T_p=5℃）的精確調(diào)控，對(duì)應(yīng)形變應(yīng)變從0%躍升至37.3%，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)編程奠定基礎(chǔ)。

圖3. 可編程多元形變展示

基于溫度響應(yīng)相變特性，打印結(jié)構(gòu)展現(xiàn)多元形變：圓盤(pán)狀樣品在室溫下自發(fā)形成馬鞍形（應(yīng)變14%），降溫至10℃曲率增大，加熱至60℃則變?yōu)殄F形；正交排列的雙層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)可逆螺旋變形；網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在20-60℃區(qū)間展示出雙向伸縮特性。這種"環(huán)境自適應(yīng)"特性使其在軟體機(jī)器人領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

圖4：梯度性能智能材料制備

通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)打印溫度，實(shí)現(xiàn)單件樣品內(nèi)的性能梯度分布。以"USTC"字母結(jié)構(gòu)為例：通過(guò)分層打印時(shí)改變溫度參數(shù)，使頂層產(chǎn)生收縮應(yīng)變，底層保持穩(wěn)定，在60℃水中呈現(xiàn)精準(zhǔn)可控的卷曲變形。有限元模擬與實(shí)驗(yàn)高度吻合，證實(shí)該技術(shù)可制備復(fù)雜功能器件。

圖5. 智能心率監(jiān)測(cè)腕帶系統(tǒng)

集成液態(tài)金屬加熱電路的LCE腕帶展現(xiàn)可穿戴設(shè)備應(yīng)用：PID溫控系統(tǒng)使材料在50℃時(shí)產(chǎn)生收縮力，使腕帶主動(dòng)貼合手腕。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，收緊狀態(tài)下顯著提高了測(cè)量精度并降低了噪聲，1000次疲勞測(cè)試后性能無(wú)衰減。這項(xiàng)技術(shù)為可穿戴設(shè)備帶來(lái)"自適應(yīng)穿戴"新范式。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李木軍副教授、張世武教授、孫宇軒博士后為論文通訊作者，碩士研究生李東曉，孫宇軒博士后為論文共同第一作者。正如通訊作者李木軍所言：“這項(xiàng)突破讓智能材料真正擁有了''環(huán)境感知力''，我們將繼續(xù)探索其在人機(jī)交互、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域的深度應(yīng)用。”

論文信息

標(biāo)題：3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation

期刊：ACS Nano

鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15521

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（責(zé)任編輯：xu）

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