中国科大：智能材料3D打印技术未来应用前景广阔

近日，来自中国科学技术大学的一支研究团队在国际权威学术期刊《ACS Nano》上发表了一项重要研究成果，题为“3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation”。该研究介绍了一种创新的复合冷场3D打印技术，成功制造出具有更高性能的近环境温度使用的液晶弹性体（NAT-LCEs），为智能材料的3D打印带来了全新的突破。

液晶弹性体作为一种将软聚合物网络与各向异性液晶粒子相结合的智能材料，因其可编程性、可逆变形和高能量密度而备受关注。然而，传统制造方法在制造液晶弹性体时面临可编程性差和取向有序程度低等问题，限制了其在高端应用领域的表现。3D打印技术虽然提供了一种具有较高可编程性的制造方法，但制得的液晶弹性体材料的取向序参数往往不高，影响了其实际应用中的性能。

针对这些挑战，中国科学技术大学的研究团队提出了一种创新的复合冷场3D打印技术。该技术通过改进温度场调控系统，利用流变学和热力学特性的控制，促进液晶弹性体的三维打印和编程。具体而言，研究团队将液体冷却器整合到3D打印喷嘴中，将挤压态的气孔油墨保持在高粘度的序列状态。同时，打印平台利用半导体冷却器和紫外线灯（365纳米波长）快速打印出液晶弹性体直线，这一过程避免了在交叉链接过程中破坏介晶基元的有序性。

实验结果显示，相比室温下打印的液晶基元取向序参数0.013，采用复合冷场3D打印技术后，该数值显著提升到了0.406。此外，打印过程中观察到的约30℃的过渡温度变化，使得材料在加热和冷却时表现出可编程的双向变形特点，非常适合在人体兼容设备和不同环境条件中的应用。

研究人员还发现，液晶中间体在高温下表现出更多的紊乱，而在低温下表现出更高的顺序。这种对不同热刺激的适应性为液晶弹性体带来了更广泛的应用前景。作为演示，研究团队利用所开发的3D打印机制造了一个具有心率监测功能的腕带。该腕带集成了柔性液态金属加热元件，并通过PID控制系统实现精确的温度控制。在需要准确数据时，使用者可以通过手动或控制程序开关加热器收紧腕带，从而显著降低噪声，提高心率测量的准确性。经过1000次循环疲劳测试，该腕带的拉伸性能没有显著下降，显示出其在实际应用中的耐用性。

这一突破性进展不仅为近环境温度使用的液晶弹性体制造提供了新的方法，还为开发具有复杂变形行为和动态响应能力的智能材料开辟了全新的途径。未来，这项技术有望在软体机器人、生物医学设备和可穿戴电子设备等领域实现更多创新应用。中国科学技术大学在智能材料3D打印技术方面的这一成就，无疑将为相关领域的发展注入新的动力，推动智能材料技术的进一步飞跃。

以下是对其可能应用领域的详细探讨：

1. 软体机器人：

• 液晶弹性体因其可编程性和可逆变形能力，在软体机器人领域具有巨大的应用潜力。

• 通过复合冷场3D打印技术，可以制造出具有复杂形状和动态响应能力的软体机器人，这些机器人能够在各种环境中灵活工作，完成传统机器人难以完成的任务。

2. 生物医学设备：

• 在生物医学领域，液晶弹性体的生物相容性和可编程性使其成为制造生物医学设备的理想材料。

• 通过3D打印技术，可以制造出具有特定形状和功能的生物医学植入物，如人工关节、心脏瓣膜等，这些植入物能够更好地与人体组织融合，提高患者的生活质量。

• 此外，该技术还可以用于制造可穿戴医疗设备，如智能手环、智能贴片等，用于监测患者的生理参数，提供个性化的医疗服务。

3. 可穿戴电子产品：

• 随着可穿戴电子产品的普及，对材料的要求也越来越高。液晶弹性体因其轻便、柔软和可编程性，成为制造可穿戴电子产品的理想选择。

• 通过3D打印技术，可以制造出具有各种形状和功能的可穿戴电子产品，如智能手表、智能眼镜等，这些产品不仅具有时尚的外观，还具备出色的性能和用户体验。

4. 航空航天和汽车工业：

• 液晶弹性体在航空航天和汽车工业中也有着广泛的应用前景。

• 通过3D打印技术，可以制造出具有轻量化、复杂结构和高性能的部件，如飞机零部件、汽车发动机部件等，这些部件能够提高产品的性能和燃油效率，降低生产成本。

5. 建筑和施工：

• 在建筑和施工领域，液晶弹性体的可编程性和可逆变形能力使其成为制造建筑构件的理想材料。

• 通过3D打印技术，可以制造出具有各种形状和功能的建筑构件，如墙体、屋顶等，这些构件能够加速施工进度、降低人力成本，并实现更复杂和创新的建筑设计。

6. 其他创新应用：

• 除了上述领域外，复合冷场3D打印技术还可以用于制造各种智能材料和结构，如智能传感器、智能执行器等。

• 这些智能材料和结构能够在各种环境中灵活工作，实现各种复杂的功能和应用。

综上所述，中国科学技术大学在智能材料3D打印技术方面取得的突破性进展，为相关领域的发展注入了新的动力。未来，随着技术的不断成熟和应用领域的不断拓展，这一技术有望在软体机器人、生物医学设备、可穿戴电子产品、航空航天、汽车工业以及建筑和施工等领域实现更多创新应用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。