中国科大ACS Nano：新型3D打印技术实现高性能近环境温度响应液晶弹性体
中国科大ACS Nano：新型3D打印技术实现高性能近环境温度响应液晶弹性体
近日，中国科学技术大学工程科学学院及人形机器人研究院的李木军研究团队提出一种复合冷场3D打印技术，成功制备具有高取向序参数和多元形变能力的近环境温度响应液晶弹性体（NAT-LCEs），并基于此开发了一种具有增强心率监测精度的腕带系统。该技术促进了软机器人技术、生物医学设备和可穿戴电子设备的发展。成果以"3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation"为题发表在国际期刊《ACS Nano》上。
近环境温度响应液晶弹性体（NAT-LCEs）因其在生物兼容设备、低功耗器件和软体机器人领域的巨大潜力而备受关注。然而，传统制造方法在可编程性（如模塑成型法）或取向序参数（如直接墨水书写3D打印法）等方面存在明显局限。针对上述挑战，研究团队提出了一种复合冷场3D打印技术，成功实现了高性能NAT-LCEs的可编程打印，显著提升了近环境温度响应液晶弹性体的取向序参数，并赋予其复杂形状成型和形变能力。
技术突破亮点
3000%性能飞跃：传统液晶弹性体需要70℃以上高温才能变形，严重制约实际应用。研究团队创新性地采用"低温喷嘴+冷却平台"双冷场调控：
- 取向序参数提升3000%（0.013→0.406）
- 实现室温自发3D成型与双向形变
- 开发出能主动贴合皮肤的智能监测腕带
三大创新突破
- 精准分子操控：通过5℃低温打印精确控制与锁定液晶基元排列
- 智能形变编程：打印结构可随温度变化呈现螺旋、鞍形、"USTC"字母等复杂变形
- 生物兼容应用：材料响应温度完全适配人体耐受范围
图文解析
图1：复合冷场3D打印系统原理
本研究的核心技术突破在于创新的温度场调控系统。通过液冷打印头（5℃）与半导体冷却平台（5℃）协同作用，在墨水挤出阶段通过低温维持高粘度促进液晶分子定向排列，在UV固化阶段快速散热避免热扰动。对比传统室温打印图（D），新方法使液晶基元取向序参数提升30倍。
图2. 温度对NAT-LCE材料性能的调控规律
研究团队系统揭示了温度-剪切力-材料性能的耦合机制。流变实验显示：冷场显著增强剪切诱导排列效果。通过调控喷嘴温度（Tn）与平台温度（Tp）组合，可实现从各向同性（Tn=25℃，Tp=25℃）到高度取向（Tn=5℃，Tp=5℃）的精确调控，对应形变应变从0%跃升至37.3%，为复杂结构编程奠定基础。
图3. 可编程多元形变展示
基于温度响应相变特性，打印结构展现多元形变：圆盘状样品在室温下自发形成马鞍形（应变14%），降温至10℃曲率增大，加热至60℃则变为锥形；正交排列的双层结构呈现可逆螺旋变形；网格结构在20-60℃区间展示出双向伸缩特性。这种"环境自适应"特性使其在软体机器人领域具有应用潜力。
圆周取向NAT-LCE的驱动
图4：梯度性能智能材料制备
通过动态调节打印温度，实现单件样品内的性能梯度分布。以"USTC"字母结构为例：通过分层打印时改变温度参数，使顶层产生收缩应变，底层保持稳定，在60℃水中呈现精准可控的卷曲变形。有限元模拟与实验高度吻合，证实该技术可制备复杂功能器件。
可编程温度控制的3D打印双层LCE结构形成字母“USTC”
图5. 智能心率监测腕带系统
集成液态金属加热电路的LCE腕带展现可穿戴设备应用：PID温控系统使材料在50℃时产生收缩力，使腕带主动贴合手腕。实测数据显示，收紧状态下显著提高了测量精度并降低了噪声，1000次疲劳测试后性能无衰减。这项技术为可穿戴设备带来"自适应穿戴"新范式。
自适应智能LCE腕带，用于增强心率监测精度
中国科学技术大学李木军副教授、张世武教授、孙宇轩博士后为论文通讯作者，硕士研究生李东晓，孙宇轩博士后为论文共同第一作者。正如通讯作者李木军所言："这项突破让智能材料真正拥有了'环境感知力'，我们将继续探索其在人机交互、康复医疗等领域的深度应用。"
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DOI: 10.1021/acsnano.4c15521