清华大学许华平课题组 Matter：可用于多种基材的模块化形状编程方法

2024-01-19 来源：高分子科技

将二维材料编程为三维结构，由于能兼顾二维状态下易于生产与储存的特性，以及三维状态下丰富的结构与功能，正在引发越来越大的关注。但以往的编程策略一般都需利用3D打印、数字光处理等复杂设备与高度定制化的方法，一定程度上阻碍了这项技术的普及。因此，开发出一种组件易于生产，且能避免使用图案化刺激源进行形状编程的方法，将能够大大加速这项技术的应用。

图1：模块的形状编程过程及其组合与功能化

针对以上的问题，清华大学许华平课题组提出了一种模块化的形状编程策略（图1A），其使用的简单六边形模块易于生产，能避免使用图案化刺激源以简化设备，并利用二硒键灵敏的光响应性在数十秒内完成高效的编程。文章中揭示的通过形状设计引导应力图案的物理规律具有普适性，且能应用于不同基材以实现致动器、自折叠折纸等应用（图1B）。相关工作以“Modular 3D shape programming method for multiple substrates”为题发表在Matter上（Matter, 2024, 7, 1）。文章的第一作者为清华大学博士研究生谭以正，浙江大学刘诚博士为共同通讯。

图2：通过形状设计使模块产生指向性应力的机理

图3：通过二硒介导的应力松弛与界面自修复产生可控面外弯曲

图4：弯曲角度调控与模块的简单组合

为了提高批量处理模块的能力，作者创新性地选用了压缩来输入预应力，并通过模块的形状设计解决了如何在压缩下产生指向性应力的问题，从而确定了弯曲形变的轴向（图2）。进一步地，通过二硒键与交联密度的设计，作者制备了两种具有应力松弛速率差异的材料，从而在光照下即可同时产生应力错配（图3C）与两种材料之间的界面自修复（图3G），使得材料发生朝向六边形模块的面外弯曲形变。得益于二硒键灵敏的光响应性，模块化的编程方法最快可在30秒内就形成90度的弯曲。仅需对六边形模块进行排列组合，即可形成各种三维结构，并可与液晶弹性体、形状记忆材料等结合以实现致动器、自折叠折纸等功能。

视频1：与液晶弹性体结合制备仿生关节致动器。

视频2：与形状记忆材料结合制备自折叠折纸。

该工作是团队近期关于含硒聚合物的光调控的最新进展之一。如何将简单的物理规律应用到材料的调控中是开发新的聚合物编程方法的关键，本文通过结合压缩下的材料力学与二硒键的光响应速率差，开发出了一种新的模块化形状编程策略。揭示的普适性规律可以被延伸到多种基材以实现不同功能，为新的压缩介导的形状编程方法提供了新的思路。在过去的工作中，该团队展示了如何利用二硒的光响应性以及光的时空分辨率，实现应力在材料平面（Adv. Mater., 2020, 32, 1907569）与厚度（Adv. Mater., 2021, 33, e2105194）上的调控，从而组合出信息加密、微图案加工、序列变形等一系列应用，为聚合物的加工与转化开辟了新的道路。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.12.027

Matter官方提供50天内免费下载：https://authors.elsevier.com/c/1iS4q9Cyxd31t9

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（责任编辑：xu）

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