供稿人:關(guān)志強，連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2021-04-29
4D打印將3D打印的設(shè)計靈活性與其組成材料的刺激響應(yīng)特性結(jié)合在一起。在軟性機器人、藥物輸送等領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用空間。目前4D打印方法如直接墨水書寫、數(shù)字光處理光刻等打印的最小特征尺寸在10μm左右。在與光強烈的相互作用的亞微米級，尚未系統(tǒng)地探索4D打印。由于納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)可以通過改變其結(jié)構(gòu)尺寸來調(diào)整，因此通過形狀記憶聚合物(SMP)調(diào)整光學(xué)器件結(jié)構(gòu)尺寸成為動態(tài)重構(gòu)顏色的新趨勢。
新加坡科技設(shè)計大學(xué)的Joel K.W. Yang團隊開發(fā)了一種基于Vero Clear的適用于雙光子聚合光刻的新型SMP光致抗蝕劑。設(shè)計并且打印了如圖1所示3D結(jié)構(gòu)，包括一個底層，底層上有亞微米級的網(wǎng)格。由于這些結(jié)構(gòu)與光的相互作用（散射和干擾），可以起到濾色器的作用。通過在SMP中打印，實現(xiàn)了4D效應(yīng)，用溫度來改變其幾何形狀和光學(xué)特性。
圖1. SMP 3D打印"隱形墨水"納米結(jié)構(gòu)元件的顏色和形狀變化示意圖
為了實現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，首先在高于SMP玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下使打印結(jié)構(gòu)變形。在保持外部負載的同時，隨著印刷品從軟橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛膊ＡB(tài)，溫度降低至 Tl( < Tg)。此時，打印結(jié)構(gòu)失去了它的顏色。由于聚合物鏈在其玻璃態(tài)被“凍結(jié)”，在釋放外部載荷后，在Tl處實現(xiàn)臨時構(gòu)型。當(dāng)加熱到聚合物鏈恢復(fù)熵彈性的溫度時，納米結(jié)構(gòu)從平坦(無色)狀態(tài)恢復(fù)到直立(彩色)狀態(tài)，實現(xiàn)了大而快速的視覺響應(yīng)。
研究人員展示了SMP的亞微米級4D打印的概念，通過定制光致抗蝕劑的雙光子聚合光刻實現(xiàn)了多色不可見油墨的效果。圖2顯示了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對顏色的影響，并發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)格高度和網(wǎng)格線寬。而且和這兩個參數(shù)可以通過控制寫入速度、激光功率等來輕松改變。即通過輕松地改變打印參數(shù)，例如激光功率、寫入速度等，從而獲得網(wǎng)格的不同顏色，為光學(xué)和傳感器等高精度要求領(lǐng)域的潛在應(yīng)用開辟了道路。
圖2. 打印結(jié)構(gòu)的光學(xué)和掃描電子顯微照片