4D打印非接觸控制形狀記憶聚合物復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)智能化的新思路

    4D打印是指3D打印的結(jié)構(gòu)在特定的外界條件刺激下，按照預(yù)先設(shè)計(jì)進(jìn)行自動(dòng)變形和組裝，無(wú)需人為干涉。這一技術(shù)可以讓結(jié)構(gòu)“活”起來(lái)，為軍事、航空航天、柔性電子、生物醫(yī)藥科學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

    智能材料的3D打印難度高、驅(qū)動(dòng)方式單一，致使4D打印的發(fā)展相對(duì)緩慢。為了克服這一難題，近日，來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于形狀記憶聚合物及多功能納米復(fù)合材料的4D打印，為4D打印智能化結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了新思路。

    據(jù)悉，該4D打印方法采用直寫(xiě)型打印設(shè)備，研究團(tuán)隊(duì)將打印所需的聚合物、紫外交聯(lián)劑及功能性納米粒子溶解于低沸點(diǎn)、高揮發(fā)性的溶劑中制成可打印的“墨水”。打印過(guò)程中溶劑的快速揮發(fā)及紫外光照可使“墨水”迅速固化并形成形狀記憶所需的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)逐層打印操作構(gòu)建出具有變形能力的三維結(jié)構(gòu)，即實(shí)現(xiàn)4D打印，打印物體的尺寸最小可至微米級(jí)。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研制了一種4D打印“智能”支架，可以通過(guò)恒定磁場(chǎng)控制支架的運(yùn)動(dòng)，在交變磁場(chǎng)作用下，該支架還呈現(xiàn)出自擴(kuò)張行為，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的非接觸控制和智能驅(qū)動(dòng)。

    這項(xiàng)技術(shù)有望在眾多領(lǐng)域使用，尤其是在生物醫(yī)學(xué)及微創(chuàng)領(lǐng)域，它為實(shí)現(xiàn)人體植入器件智能化和個(gè)性化定制帶來(lái)了新的可能性。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國(guó)際TOP期刊《應(yīng)用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上。

    量子點(diǎn)材料公司展示不含重金屬的量子點(diǎn)薄膜

    位于美國(guó)德克薩斯州圣馬科斯市的量子材料公司在2017年消費(fèi)電子展上向電視、顯示器和移動(dòng)顯示器制造商展示了不含金屬的量子點(diǎn)薄膜。

    該公司的董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官斯蒂芬·斯皮爾斯指出，所展示薄膜符合環(huán)保要求，限制重金屬在消費(fèi)和專(zhuān)業(yè)電子產(chǎn)品中的使用。

    量子材料公司業(yè)務(wù)發(fā)展高級(jí)總監(jiān)古原安藤說(shuō)：“由于成本相對(duì)較高，安裝量子點(diǎn)顯示薄膜只在高端顯示器市場(chǎng)上受到重視。”他補(bǔ)充說(shuō)，該公司相信，其低成本大批量量子點(diǎn)制造方法將使更多的消費(fèi)者能夠擁有量子點(diǎn)電視和其他設(shè)備。

    目前量子材料公司正在開(kāi)發(fā)具有無(wú)毒鋅或銦核的量子點(diǎn)，以取代許多量子點(diǎn)中使用的鎘核（該公司還制造高性能鎘基量子點(diǎn)）。對(duì)于用以替換鎘核的量子點(diǎn)，量子材料公司的理念是避免使用昂貴的稀土金屬，因?yàn)橛袝r(shí)可能無(wú)法確保供應(yīng)，使用豐富和無(wú)毒的II-VI族材料

    MIT研發(fā)出世界上最強(qiáng)、最輕材料

    麻省理工學(xué)院（MIT）開(kāi)發(fā)的多孔3D石墨烯的強(qiáng)度是鋼的10倍之多，但密度卻只有鋼的20分之一。

    MIT的研究小組設(shè)計(jì)了目前世界上強(qiáng)度最大的輕質(zhì)材料。通過(guò)熔化和壓縮石墨烯薄片，他們將石墨烯做成海綿狀的立體結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度是鋼的10倍，但密度只有鋼的5%。

    作為最著名的二維材料之一，石墨烯被認(rèn)為是所有已知材料中強(qiáng)度最高的。然而，到目前為止，研究人員很難將這一二維尺度下的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為有用的三維材料。

    不過(guò)，研究人員最近發(fā)現(xiàn)，3D材料的強(qiáng)度與材料的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)度更大，反而與材料本身的關(guān)系較弱。

    也就是說(shuō)，即使使用不同的輕質(zhì)材料，只要它們的幾何結(jié)構(gòu)大致相同，那么它們的強(qiáng)度也相差無(wú)幾。

    這一研究發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在Science Advances期刊上，由麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系教授、McAfee工程教授馬庫(kù)斯·比埃勒（Markus Buehler）、麻省理工土木與環(huán)境工程系的研究員秦釗（音譯，Zhao Qin）等人共同完成。

    很早之前就有科研團(tuán)隊(duì)提出了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的可能性。然而，實(shí)驗(yàn)室中的結(jié)果一直無(wú)法與模擬仿真所匹配，材料的強(qiáng)度往往比預(yù)測(cè)的低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

    因此，MIT的團(tuán)隊(duì)決定通過(guò)分析材料的原子級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)謎團(tuán)。他們開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型非常精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)的結(jié)果。

    二維材料僅有一個(gè)原子的厚度，在其他方向上可以無(wú)限延伸，具有很好的強(qiáng)度和獨(dú)特的電學(xué)特性。

    但是由于二維材料太“薄”了，對(duì)于車(chē)輛、建筑物或儀器等三維物體來(lái)說(shuō)，它們并不是十分有用。因此，將2D材料轉(zhuǎn)變?yōu)?D結(jié)構(gòu)是輕質(zhì)材料研究的一大難題。

    MIT的科研團(tuán)隊(duì)使用熱和壓力的作用壓縮石墨烯，使之形成堅(jiān)固、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其形狀類(lèi)似于珊瑚或硅藻等微觀(guān)生物。這一形狀具有與體積成正比的巨大表面積，強(qiáng)度非常大。

    秦釗表示： “成功創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)后，我們便著手研究如何達(dá)到材料的強(qiáng)度極限。我們嘗試不同的3D模型，然后進(jìn)行各類(lèi)測(cè)試。我們還使用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬拉伸機(jī)中不同的拉伸和壓縮條件。最終，我們的樣品密度僅有鋼密度的5%，強(qiáng)度卻是鋼的10倍。”

    比埃勒教授說(shuō)， 復(fù)雜曲面構(gòu)成的3D石墨烯材料發(fā)生形變的情況類(lèi)似于紙張。紙?jiān)陂L(zhǎng)度和寬度方向上強(qiáng)度很小，并且容易起皺。

    但是當(dāng)成為特定形狀，例如卷成管狀時(shí)，紙?jiān)谘刂荛L(zhǎng)度方向的強(qiáng)度就會(huì)增大很多，可以支撐相對(duì)大的重量。同樣，石墨烯薄片通過(guò)幾何排列可以形成強(qiáng)度極大的結(jié)構(gòu)。

    石墨烯3D結(jié)構(gòu)使用高分辨率、多材料3D打印機(jī)打印而成，并且會(huì)通過(guò)各類(lèi)拉伸和壓縮性能的機(jī)械進(jìn)行測(cè)試。

    同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的理論模型可以模擬樣品在機(jī)械負(fù)載下的結(jié)構(gòu)變化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度匹配。

    MIT團(tuán)隊(duì)基于原子的計(jì)算模型排除了此前其他科學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的一種可能性： 3D石墨烯的密度可以比空氣輕，甚至可以作為氣球中的氦氣的替代物。

    然而，計(jì)算表明，在如此低密度下，材料會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度不足而被周?chē)目諝鈮毫嚎濉?/span>

    不過(guò)，研究人員說(shuō)，雖然達(dá)不到空氣那么小的密度，但是高強(qiáng)度和輕重量的組合是切實(shí)可行的。

    比埃勒說(shuō)：“在相同的幾何結(jié)構(gòu)下，我們可以使用石墨烯，但也可以使用其他諸如聚合物或金屬的材料。實(shí)際應(yīng)用中，除了強(qiáng)度要求，我們還需要考慮成本、加工方法，和諸如透明性或?qū)щ娦缘炔牧咸匦缘囊蟆?rdquo;

    比埃勒指出，幾何結(jié)構(gòu)才是高強(qiáng)度的主要成因，因此高強(qiáng)度材料不僅局限于石墨烯，還可以擴(kuò)展到各種各樣的材料。

    石墨烯在熱和壓力作用下自然形成的不規(guī)則幾何形狀看起來(lái)像“千瘡百孔”的碰碰球。這種復(fù)雜形狀被稱(chēng)為“螺旋線(xiàn)”。

    事實(shí)上，使用傳統(tǒng)制造方法是無(wú)法形成這種結(jié)構(gòu)的，必須通過(guò)3D打印才能得到如此復(fù)雜的立體空間結(jié)構(gòu)。實(shí)際合成的過(guò)程要比想象中的復(fù)雜一些。

    研究人員說(shuō)，一種可能的方法是使用聚合物或金屬顆粒作為模板，在熱和壓力處理前通過(guò)化學(xué)氣相沉積將石墨烯涂覆在模板表面，然后用化學(xué)或物理方法除去聚合物或金屬模板，得到石墨烯的螺旋結(jié)構(gòu)。

    目前，該團(tuán)隊(duì)提供的計(jì)算模型可以評(píng)估最終合成結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。

    研究人員說(shuō)，我們完全可以將這種幾何形狀應(yīng)用到大型結(jié)構(gòu)材料中。例如，橋梁的混凝土可以采用這種多孔的幾何形狀，在保證強(qiáng)度的同時(shí)有效降低橋自身的重量。

    此外，這種幾何構(gòu)造因?yàn)榘芏嘀锌战Y(jié)構(gòu)，可以提供良好的絕緣性能。

    另外，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)中孔隙的大小，這種材料還可以應(yīng)用到水處理或化學(xué)過(guò)濾系統(tǒng)。研究人員說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述可以促進(jìn)其他多種學(xué)科的發(fā)展。

    布朗大學(xué)的工程學(xué)教授高華健對(duì)該研究做出了高度評(píng)價(jià)。他說(shuō)：“這對(duì)于石墨烯三維結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究具有很大的啟發(fā)性。

    該研究中計(jì)算機(jī)建模和3D打印技術(shù)的結(jié)合為工程研究提供了新方法。令人印象深刻的是，在3D打印的幫助下，我們可以將最初在納米仿真技術(shù)中得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到宏觀(guān)物體中。”

    高教授說(shuō)：“ 該研究完美地將2D材料的高強(qiáng)度特性和3D材料的幾何結(jié)構(gòu)特性結(jié)合在了一起。”

    該研究得到了美國(guó)海軍研究處、美國(guó)國(guó)防部多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃，美國(guó)巴斯夫- 北美先進(jìn)材料研究中心的支持。

    碳納米管可改善復(fù)合材料導(dǎo)電性

    來(lái)自英國(guó)的大學(xué)日前研發(fā)了一種新的技術(shù)，可以提高傳統(tǒng)復(fù)合材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。

    薩里大學(xué)和布里斯托大學(xué)以及龐巴迪公司研究了如何在碳纖維表面發(fā)展納米材料，特別是碳納米管，以期賦予碳纖維表面必要的性能。

    這項(xiàng)研究將會(huì)使得碳纖維增強(qiáng)塑料擁有更多的功能性，同時(shí)還保持其結(jié)構(gòu)的完整性。包括傳感器、能量收集裝置以及通信天線(xiàn)在內(nèi)的其他新奇的功能，均可集成到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中。這將迎來(lái)復(fù)合材料技術(shù)的新時(shí)代。

    “航空航天工業(yè)目前依然主要依賴(lài)銅網(wǎng)形式的金屬結(jié)構(gòu)，以提供雷擊保護(hù)，并防止由于導(dǎo)電性差而引起的靜電荷在碳纖維表面積聚的現(xiàn)象。”來(lái)自前薩里大學(xué)的博士，現(xiàn)ACCIS公司助理研究員托馬斯？波澤季奇表示。“這種方式增加了重量，同時(shí)難以與碳纖維復(fù)合材料一起制造。而我們研發(fā)的材料利用了高質(zhì)量的碳納米管在復(fù)合材料表面高密度排列，以允許電傳輸貫穿整個(gè)復(fù)合材料。”

    “研究人員已經(jīng)通過(guò)研究表明碳納米管可以顯著提升碳纖維符合材料的熱導(dǎo)性，”伊安？哈默頓，來(lái)自ACCIS高分子與復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)在讀的博士補(bǔ)充說(shuō)道，“這將在航空航天工業(yè)中產(chǎn)生廣泛的效益，例如給出更好的飛機(jī)除冰解決方案，以及使得飛機(jī)在一定巡航高度產(chǎn)生的燃料蒸汽最小化。”

    歐盟一項(xiàng)目研發(fā)出大型2 x 1厘米具有石墨烯電極的柔性O(shè)LED面板

    德國(guó)弗勞恩霍夫研究所和其他合作伙伴在歐盟GLADIATOR項(xiàng)目的支持下開(kāi)發(fā)了具有石墨烯電極的功能性柔性O(shè)LED照明設(shè)備。這個(gè)設(shè)備的尺寸為2 x 1厘米，遠(yuǎn)大于去年開(kāi)發(fā)的原型設(shè)備。

    石墨烯電極在基于CVD的工藝中制造。將石墨烯沉積在銅膜上，用柔性聚合物載體覆蓋，然后蝕刻掉銅膜。

    GLADIATOR項(xiàng)目將于2017年4月完成。在接下來(lái)的幾個(gè)月中，研究人員將通過(guò)使石墨烯片轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)的雜質(zhì)和缺陷最小化來(lái)改進(jìn)石墨烯電極。該項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者Beatrice Beyer估計(jì)，這種具有石墨烯電極的OLED可以在2-3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

    GLADIATOR項(xiàng)目于2013年11月推出，除了Fructhofer之外，該項(xiàng)目的合作伙伴包括Aixtron，Graphenea，Amcor柔性電纜，有機(jī)電子技術(shù)和CEA。歐盟授予該項(xiàng)目1240萬(wàn)歐元的資金。

    加州大學(xué)受金剛狼啟發(fā)研制自愈導(dǎo)電材料

    加州大學(xué)河濱分校的科學(xué)家們研制了一種伸縮性較高的自愈式透明導(dǎo)電材料，被電激活后可為人造肌肉供電，還可用于提升電池、電子設(shè)備和機(jī)器人的性能。

    美國(guó)《先進(jìn)材料》期刊發(fā)表了這項(xiàng)研究成果，這是科學(xué)家首次研發(fā)出可使離子穿過(guò)、可伸縮的自愈式透明離子導(dǎo)體。這種材料用途廣泛，可讓機(jī)器人在遭受機(jī)械損傷后進(jìn)行自我修復(fù)，延長(zhǎng)電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)中鋰離子電池的使用壽命，提高醫(yī)用及環(huán)境監(jiān)測(cè)生物傳感器的性能。

    通過(guò)離子偶極相互作用實(shí)現(xiàn)自愈的示意圖

    為形成一種具有上述所有特性的材料，該研究結(jié)合了自愈材料和離子導(dǎo)體領(lǐng)域的研究成果。受傷口自我愈合的啟發(fā)，自愈材料可修復(fù)磨損，進(jìn)而延長(zhǎng)材料與設(shè)備的使用壽命及降低使用成本。研究人員稱(chēng)，對(duì)自愈材料的興趣源于對(duì)“金剛狼”的長(zhǎng)期喜愛(ài)。而離子導(dǎo)體材料則在能量存儲(chǔ)、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、傳感器和電子等設(shè)備中具有重要作用。科羅拉多大學(xué)研究人員此前證明，可伸縮的透明離子導(dǎo)體可為人造肌肉供電，或制造透明擴(kuò)音器，不過(guò)這些裝置都不兼具受損后自愈的能力。

    關(guān)鍵是識(shí)別在電化學(xué)條件下穩(wěn)定并可逆的化學(xué)鍵。可自愈的聚合物通常使用非共價(jià)鍵，這存在一個(gè)問(wèn)題，就是這種化學(xué)鍵易受電化學(xué)反應(yīng)的影響而降低材料性能。研究人員運(yùn)用離子偶極相互作用解決了這一問(wèn)題。這種作用存在于電化學(xué)條件下高度穩(wěn)定的帶電離子和極性分子之間。研究人員將可伸縮的極性聚合物與可流動(dòng)的高離子強(qiáng)度鹽進(jìn)行結(jié)合，制造出具有預(yù)期特性的材料。

    這種造價(jià)低、易生產(chǎn)、類(lèi)似橡膠的柔軟材料，可伸縮至原長(zhǎng)度的50倍。材料在切損后，室溫下24小時(shí)內(nèi)即可重新連接或愈合。事實(shí)上，只需要修復(fù)5分鐘，這種材料就可伸縮到原長(zhǎng)度的2倍。

    研究人員還驗(yàn)證這種材料可用于為一種人造肌肉（也叫介電彈性體驅(qū)動(dòng)器）供電。人造肌肉是對(duì)那種能夠在電壓、電流、壓力或溫度等外部刺激下伸縮、膨脹或旋轉(zhuǎn)的材料或裝置的統(tǒng)稱(chēng)。

    該介電彈性體驅(qū)動(dòng)器為堆疊的三層聚合物。頂層和底層是加州大學(xué)開(kāi)發(fā)的能夠?qū)щ姴⒆杂男虏牧希虚g層是類(lèi)似橡膠的絕緣透明薄膜。

    研究人員利用電信號(hào)使人造肌肉運(yùn)動(dòng)。正如大腦向手臂發(fā)出信號(hào)后手臂肌肉會(huì)運(yùn)動(dòng)一樣，人造肌肉在收到信號(hào)后也做出了反應(yīng)。最重要的是，研究人員驗(yàn)證了新材料類(lèi)似自然界傷口愈合的自愈能力。人造肌肉部分被切割為兩部分后，材料可以在不受外界刺激下自行修復(fù)，修復(fù)后的人造肌肉具備與切斷前相同的性能。

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責(zé)任編輯：王元

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