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清華大學許華平課題組 Matter：可用于多種基材的模塊化形狀編程方法

2024-01-19 來源：高分子科技

將二維材料編程為三維結構，由于能兼顧二維狀態下易于生產與儲存的特性，以及三維狀態下豐富的結構與功能，正在引發越來越大的關注。但以往的編程策略一般都需利用3D打印、數字光處理等復雜設備與高度定制化的方法，一定程度上阻礙了這項技術的普及。因此，開發出一種組件易于生產，且能避免使用圖案化刺激源進行形狀編程的方法，將能夠大大加速這項技術的應用。

圖1：模塊的形狀編程過程及其組合與功能化

針對以上的問題，清華大學許華平課題組提出了一種模塊化的形狀編程策略（圖1A），其使用的簡單六邊形模塊易于生產，能避免使用圖案化刺激源以簡化設備，并利用二硒鍵靈敏的光響應性在數十秒內完成高效的編程。文章中揭示的通過形狀設計引導應力圖案的物理規律具有普適性，且能應用于不同基材以實現致動器、自折疊折紙等應用（圖1B）。相關工作以“Modular 3D shape programming method for multiple substrates”為題發表在Matter上（Matter, 2024, 7, 1）。文章的第一作者為清華大學博士研究生譚以正，浙江大學劉誠博士為共同通訊。

圖2：通過形狀設計使模塊產生指向性應力的機理

圖3：通過二硒介導的應力松弛與界面自修復產生可控面外彎曲

圖4：彎曲角度調控與模塊的簡單組合

為了提高批量處理模塊的能力，作者創新性地選用了壓縮來輸入預應力，并通過模塊的形狀設計解決了如何在壓縮下產生指向性應力的問題，從而確定了彎曲形變的軸向（圖2）。進一步地，通過二硒鍵與交聯密度的設計，作者制備了兩種具有應力松弛速率差異的材料，從而在光照下即可同時產生應力錯配（圖3C）與兩種材料之間的界面自修復（圖3G），使得材料發生朝向六邊形模塊的面外彎曲形變。得益于二硒鍵靈敏的光響應性，模塊化的編程方法最快可在30秒內就形成90度的彎曲。僅需對六邊形模塊進行排列組合，即可形成各種三維結構，并可與液晶彈性體、形狀記憶材料等結合以實現致動器、自折疊折紙等功能。

視頻1：與液晶彈性體結合制備仿生關節致動器。

視頻2：與形狀記憶材料結合制備自折疊折紙。

該工作是團隊近期關于含硒聚合物的光調控的最新進展之一。如何將簡單的物理規律應用到材料的調控中是開發新的聚合物編程方法的關鍵，本文通過結合壓縮下的材料力學與二硒鍵的光響應速率差，開發出了一種新的模塊化形狀編程策略。揭示的普適性規律可以被延伸到多種基材以實現不同功能，為新的壓縮介導的形狀編程方法提供了新的思路。在過去的工作中，該團隊展示了如何利用二硒的光響應性以及光的時空分辨率，實現應力在材料平面（Adv. Mater., 2020, 32, 1907569）與厚度（Adv. Mater., 2021, 33, e2105194）上的調控，從而組合出信息加密、微圖案加工、序列變形等一系列應用，為聚合物的加工與轉化開辟了新的道路。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.12.027

Matter官方提供50天內免費下載：https://authors.elsevier.com/c/1iS4q9Cyxd31t9

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（責任編輯：xu）

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