受干旱环境中植物启发，实现一种4D打印各向异性多孔结构

1年前浏览5552

水对生物的繁殖至关重要，尤其是在干旱缺水的栖息地。为了提高种子的存活率，自然界中的植物在数十亿年的进化中掌握了克服极端天气的非凡方法。纳库露子花（Delosperma nakurense）通过在潮湿天气释放其种子以增加发芽的机会，在干旱地区表现出显著的生存能力。其具有选择性种子散布背后的机制归因于具有不同吸湿变形率的种子蒴果的双层结构。其细长的细胞壁在吸湿后沿垂直于纤维素排列的方向(即长轴方向)膨胀。宏观上，与种子接触的双层结构的内侧比外侧具有更大的变形率，这使得种子室能够在有利于发芽的天气下打开并释放种子。这种应对外界刺激的无与伦比的湿响应生存策略不仅对生物体本身具有重要意义，而且从湿响应驱动的角度为科学研究提供了巨大的启发。

来自亚利桑那州立大学的学者报道了一种多功能的4D打印技术，即液晶模板辅助的瓮光聚合(LCT-VPP)，它可以通过利用光聚合诱导相分离(PIPS)和液晶(LCs)电排列来制备具有湿响应能力的生物激励多孔结构。在提取非反应性LCs后，LCs/纳米填料复合材料中的PIPS导致亚微米梯度多孔结构的形成。电场使液晶的可编程排列成为可能，这反过来又延长了多孔结构并排列了纳米填料。此外，通过模板化LC可编程排列的纳米填料增强了变形程度，因此所得复合材料表现出高形状控制精度、快速动态响应和高可靠性。该研究为设计具有特殊空间分布的多孔结构的生物智能材料提供了一个新的视角。本文报道的结果在软机器人、智能防伪装置、柔性传感器和超滤膜等方面有着潜在的应用。相关文章以“4D Printing of Seed Capsule-Inspired Hygro-Responsive Structures viaLiquid Crystal Templating-Assisted Vat Photopolymerization”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202211602

图1.LCT-VPP仿生吸湿变形机理及印刷工艺.a）种子胶囊的吸湿性释放过程.b）LCT-VPP 设置的示意图。c） LC单体和非电响应SiC纳米叶片的电取向过程示意图。d）双层太极结构的偏振光学显微镜（POM）图像;e）印刷仿生吸湿五角星结构的干弯曲和湿溶胀的动态循环。

图2.研究LCs/SiC混合物的材料特性。a）电长石驱动的LC相变从多域到单域的示意图，同时间接对齐SiC纳米填料。b）混合物的对齐方向垂直于光束方向的六角形。c，d）材料固化特性和粘度的表征;以及e）LCs在多域和单域向列相中的偏振特性以及双层ASU标志的POM图像，层厚为500 μm。

图3.各向异性多孔结构的变形机理.a）光固化诱导单向多孔FLM的微相分离和吸湿变形示意图。b）顶部和横截面图中多孔结构的扫描电子显微镜（SEM）图像，i，ii）梯度和排列的各向异性多孔结构，iii，iv）SiC纳米填料与孔的长轴方向相同。弯曲执行器的曲率与c）印刷厚度和d）SiC比率之间的关系。e）由对准角引起的螺旋结构示意图;f）干稳态和吸湿最大状态的曲率和螺旋角。

图4.以可编程方式对吸湿性结构变形的可逆性。a，b）由于吸湿性膨胀和干弯曲引起的弯曲致动器的动态曲率表征。c）弯曲执行器循环吸湿干燥过程的原理图和d）物理试验;e）可编程空间图案结构的变形与有限元模拟预测。

图5.湿响应执行器的应用。a）柔性抓手的抓靶过程是在丙酮中卷曲和膨胀，干燥时向下弯曲和抓取，然后转移到丙酮上释放。b）随着前后替运动，履带在棘轮表面上的定向爬行示意图。c）履带吸湿张力和干燥拉伸的循环运动。d）基于吸湿变形的爬行结构移动速度比较，CG1， CG2， CG3， CG4。e）检测环境中丙酮泄漏的检测电路示意图。f）当弯曲执行器因泄漏的丙酮而膨胀时，电路打开并打开警告灯;g）检测周期性滴落丙酮的电信号。

综上所述，从干旱环境中植物独特的生存策略中吸取的经验教训为制造仿生功能结构提供了灵感。在这里，本研究提出了一种利用光聚合诱导的相分离和电取向来制备具有快速响应和可编程湿响应变形的各向异性多孔结构的方法。实现了LC的远程对准，这反过来又指导了对电长或磁长没有响应的纳米对准。同时，各向异性多孔结构可以实现3D打印结构的吸湿变形。添加SiC 纤维是为了限制固化产物在对准方向上的吸湿性变形。本研究从变形性、可编程性和可逆性三个主要方面研究了各向异性多孔结构的性质。本文研究了厚度和SiC浓度对变形曲率的影响，通过可编程定向LC和SiC在单层或多层的不同区域得到复杂的变形。此外，还反复完成了吸湿溶胀和干燥收缩之间的湿响应驱动。将研究更环保和无害的溶剂，以激活LCTVPP打印物体的驱动。总体而言，这里报道的LCT辅助纳米颗粒排列弥补了现有对齐方法的缺陷，本研究提出的各向异性多孔结构的制造方法进一步为包括仿生软机器人、智能防伪设备、柔性传感器和超氟化膜在内的新应用提供了机会。

来源：增材制造创新设计