研究

研究人员发表了关于用液晶打印4D的全面指南

研究人员埃因霍温理工大学(TU Eindhoven)发表了一篇新的、全面的液晶增材制造前景综述。

液晶是一类兼具传统液体和固体晶体性质的材料。作为液晶显示器(lcd)的关键部件,液晶作为智能材料有先进的应用,从光反射器、可切换窗户到太阳能电池板。

当与3D打印结合使用时,液晶可在干燥和潮湿环境中实现可编程、可逆、各向异性驱动,使其成为一种非常强大的具有4D功能的“刺激响应材料”。潜在的增材制造用例列表包括能源生产、传感,甚至是软机器人。

与传统的学术评论不同,埃因霍温理工大学的论文不仅列出了该领域值得注意的研究项目,而且被设计为非专业人士的手册。

该研究的合著者、四年级博士生杰伦·索尔写道:“从前到后的阅读让读者对该领域的选择和挑战有了全面的了解,同时鼓励已经在液晶或增材制造方面有经验的研究人员浏览文本,看看他们如何将增材制造或增材制造纳入自己的工作。”

4D打印液晶软机器人可以用热、紫外线和其他机制驱动。图片由TU Eindhoven提供。
4D打印液晶软机器人可以用热、紫外线和其他机制驱动。图片由TU Eindhoven提供。

液晶排列的重要性

根据这篇论文,液晶的分子顺序是其各向异性质量的主要因素,并对其如何对刺激作出反应有重要影响。因此,在3D打印过程中控制分子排列是至关重要的(特别是对于4D应用),但有几种常见的方法来做到这一点。

在液晶中排列介晶的最广泛使用的方法之一是使用化学表面处理。这种方法通常使用在顶部和底部表面上具有对齐层的玻璃单元格。一旦细胞冷却到液晶相,分子就可以按照预定的方式进行相变和自组织。

在3D打印过程中,还可以通过施加电场或磁场,或者利用剪切和延伸等机械力场来对齐液晶。

4D打印液晶的应用

论文还讨论了4D打印液晶结构的一些更先进的应用,首先是软机器人。在软体机器人中,可收缩的液晶材料条被用作人造肌肉。这些人造肌肉通常通过热能、光照或湿度来驱动,可以自行3D打印,也可以编织在一起,嵌入额外的智能属性。

额外制造的液晶在动态生物医学植入物中也有潜在的应用。虽然它们还没有被批准用于人体植入,但这篇文章指出,之前的研究表明,这种材料可能提供一定程度的生物相容性。例如,通过一种直接用墨水书写的方法,可以打印出一种泌尿外科植入物,这种植入物在红外光照射(红外光可以很好地穿过皮肤)时具有可编程的热收缩功能。

最后,由于在光学器件中广泛的传统应用,液晶也可以用于光子器件的3D打印。事实上,在由埃因霍温理工大学团队进行的另一项实验中研究了一种新型的微挤压变色液晶墨水。这种墨水的灵感来自于彩虹色的材料,比如宝石甲虫的外观,预计将对装饰照明甚至增强现实光学产生影响。

蝴蝶3D打印使用新的液晶墨水。图片来自埃因霍温理工大学。
蝴蝶3D打印使用彩虹液晶墨水。图片来自埃因霍温理工大学。

进一步的主题,如3D打印方法、打印参数细化和液晶驱动方法,可以在题为“4D打印液晶:什么是对的我?”。

光学设备的3D打印是增材制造中的前沿领域。今年早些时候,来自阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)开发了一个3D打印光子晶体光纤的新方法-一种特殊类型的光纤。该团队为该项目建造了一个专用的基于sla的3D打印机,它使科学家们能够使用以前不可能的内部几何形状定制光纤。

在其他地方,来自弗莱堡大学3D打印机制造商Nanoscribe最近利用双光子聚合技术制备亚微米分辨率的玻璃二氧化硅微结构.在未来,该团队相信他们独特的印刷、脱脂和烧结工艺可以用于生产具有潜在生物医学应用价值的下一代微光学产品。

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图为埃因霍温理工大学校园。图片来自埃因霍温理工大学。

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