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清華大學(xué)許華平課題組 Matter：可用于多種基材的模塊化形狀編程方法
2024-01-19  來(lái)源：高分子科技

  將二維材料編程為三維結(jié)構(gòu)，由于能兼顧二維狀態(tài)下易于生產(chǎn)與儲(chǔ)存的特性，以及三維狀態(tài)下豐富的結(jié)構(gòu)與功能，正在引發(fā)越來(lái)越大的關(guān)注。但以往的編程策略一般都需利用3D打印、數(shù)字光處理等復(fù)雜設(shè)備與高度定制化的方法，一定程度上阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的普及。因此，開(kāi)發(fā)出一種組件易于生產(chǎn)，且能避免使用圖案化刺激源進(jìn)行形狀編程的方法，將能夠大大加速這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。


圖1：模塊的形狀編程過(guò)程及其組合與功能化


  針對(duì)以上的問(wèn)題，清華大學(xué)許華平課題組提出了一種模塊化的形狀編程策略（圖1A），其使用的簡(jiǎn)單六邊形模塊易于生產(chǎn)，能避免使用圖案化刺激源以簡(jiǎn)化設(shè)備，并利用二硒鍵靈敏的光響應(yīng)性在數(shù)十秒內(nèi)完成高效的編程。文章中揭示的通過(guò)形狀設(shè)計(jì)引導(dǎo)應(yīng)力圖案的物理規(guī)律具有普適性，且能應(yīng)用于不同基材以實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器、自折疊折紙等應(yīng)用（圖1B）。相關(guān)工作以“Modular 3D shape programming method for multiple substrates”為題發(fā)表在Matter上（Matter, 2024, 7, 1）。文章的第一作者為清華大學(xué)博士研究生譚以正，浙江大學(xué)劉誠(chéng)博士為共同通訊。

 

圖2：通過(guò)形狀設(shè)計(jì)使模塊產(chǎn)生指向性應(yīng)力的機(jī)理

 

圖3：通過(guò)二硒介導(dǎo)的應(yīng)力松弛與界面自修復(fù)產(chǎn)生可控面外彎曲


圖4：彎曲角度調(diào)控與模塊的簡(jiǎn)單組合


  為了提高批量處理模塊的能力，作者創(chuàng)新性地選用了壓縮來(lái)輸入預(yù)應(yīng)力，并通過(guò)模塊的形狀設(shè)計(jì)解決了如何在壓縮下產(chǎn)生指向性應(yīng)力的問(wèn)題，從而確定了彎曲形變的軸向（圖2）。進(jìn)一步地，通過(guò)二硒鍵與交聯(lián)密度的設(shè)計(jì)，作者制備了兩種具有應(yīng)力松弛速率差異的材料，從而在光照下即可同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力錯(cuò)配（圖3C）與兩種材料之間的界面自修復(fù)（圖3G），使得材料發(fā)生朝向六邊形模塊的面外彎曲形變。得益于二硒鍵靈敏的光響應(yīng)性，模塊化的編程方法最快可在30秒內(nèi)就形成90度的彎曲。僅需對(duì)六邊形模塊進(jìn)行排列組合，即可形成各種三維結(jié)構(gòu)，并可與液晶彈性體、形狀記憶材料等結(jié)合以實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器、自折疊折紙等功能。

 

視頻1：與液晶彈性體結(jié)合制備仿生關(guān)節(jié)致動(dòng)器。


 視頻2：與形狀記憶材料結(jié)合制備自折疊折紙。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于含硒聚合物的光調(diào)控的最新進(jìn)展之一。如何將簡(jiǎn)單的物理規(guī)律應(yīng)用到材料的調(diào)控中是開(kāi)發(fā)新的聚合物編程方法的關(guān)鍵，本文通過(guò)結(jié)合壓縮下的材料力學(xué)與二硒鍵的光響應(yīng)速率差，開(kāi)發(fā)出了一種新的模塊化形狀編程策略。揭示的普適性規(guī)律可以被延伸到多種基材以實(shí)現(xiàn)不同功能，為新的壓縮介導(dǎo)的形狀編程方法提供了新的思路。在過(guò)去的工作中，該團(tuán)隊(duì)展示了如何利用二硒的光響應(yīng)性以及光的時(shí)空分辨率，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力在材料平面（Adv. Mater., 2020, 32, 1907569）與厚度（Adv. Mater., 2021, 33, e2105194）上的調(diào)控，從而組合出信息加密、微圖案加工、序列變形等一系列應(yīng)用，為聚合物的加工與轉(zhuǎn)化開(kāi)辟了新的道路。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.12.027

  Matter官方提供50天內(nèi)免費(fèi)下載：https://authors.elsevier.com/c/1iS4q9Cyxd31t9

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