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  智能器件在科學(xué)前沿領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如溫控開關(guān)、傳感器與制動(dòng)器和仿生機(jī)器人等，其形狀會(huì)直接影響其功能。由于制備模具和脫模過(guò)程比較繁瑣和困難，傳統(tǒng)的模塑法不能滿足日新月異的智能設(shè)備的制造。3D打印技術(shù)可以制備高度復(fù)雜的定制產(chǎn)品，在生物醫(yī)療、航天器和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但由于其層層疊加的特性，目前3D打印仍然受限于打印速度慢，打印材料選擇面窄等問(wèn)題。

  近年來(lái)，圍繞以上問(wèn)題，浙江大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝濤課題組開展了一系列工作。受非均質(zhì)二維平面在釋放內(nèi)應(yīng)力后轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)這一現(xiàn)象的啟發(fā)，結(jié)合數(shù)字化光固化工藝，實(shí)現(xiàn)了聚合物的超快速三維成型（Adv. Mater. 2017, 29, 1605390）。在此次工作中，研究人員使用兩種截然不同的水凝膠體系和溶脹石蠟體系說(shuō)明了該技術(shù)的通用性。

圖1. 制備過(guò)程的示意圖與單體和交聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

  近日，該團(tuán)隊(duì)成功將上述技術(shù)應(yīng)用于形狀記憶聚合物的制備。形狀記憶聚合物為丙烯酸甲酯、丙烯酸異冰片酯與1,6-乙二醇二丙烯酸酯的共聚物。研究人員系統(tǒng)地研究了該形狀記憶聚合物前驅(qū)液的光固化動(dòng)力學(xué)、曝光參數(shù)與聚合物性能之間的關(guān)系。上述原料構(gòu)成的聚合物前驅(qū)液在具有特定圖案和灰度的數(shù)字光源下進(jìn)行曝光、固化得到二維聚合物薄膜，該薄膜經(jīng)過(guò)殘留單體脫除后將轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)設(shè)的三維結(jié)構(gòu)。數(shù)字化灰度曝光起到兩方面作用，一是賦予形狀記憶聚合物一個(gè)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，二是在得到的形狀記憶聚合物中實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的熱力學(xué)性能（相轉(zhuǎn)變溫度、模量、斷裂伸長(zhǎng)率等）差異。進(jìn)一步地，研究人員還探索了該技術(shù)在三維光學(xué)器件與柔性電子器件方面的應(yīng)用。

圖2. 材料的形狀記憶性能

圖3. 數(shù)字化形狀記憶聚合物的潛在功能展示

  利用該方法制備具有先進(jìn)功能的結(jié)構(gòu)復(fù)雜智能設(shè)備展示出了普適性與簡(jiǎn)便性。同時(shí)，其中的化學(xué)設(shè)計(jì)可以拓展到一系列不同的材料中。

  相關(guān)工作以題目為“4D Printing of a Digital Shape Memory Polymer with Tunable High Performance”的研究論文已發(fā)表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（DOI：10.1021/acsami.9b11062）上。博士生張玥為第一作者，通訊作者為謝濤教授與吳晶軍博士。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11062

  Zhang Y, Huang LM, Song HJ, Ni CJ, Wu JJ,* Zhao Q, Xie T.*

  4D Printing of a Digital Shape Memory Polymer with Tunable High Performance.

  ACS Appl. Mater. Inter., 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b11062