密苏里大学林见课题组：由微观相变引发的宏观可逆三维形变学术资讯

来源：高分子科学前沿

与平面结构相比，三维结构具有更丰富和更新奇的功能特性，在光学、生物医学、微电子及机器人等领域展示出巨大的应用前景。然而，平面结构由于其易于大规模廉价生产的特点，在成本控制上具有相对优势。因此，通过形变（shape-morphing）将平面结构转变为三维结构一直以来都是材料领域的热点研究方向。近日，密苏里大学机械工程系林见课题组联合黄国良课题组，提出了一种新的形变策略，通过改变材料内部的微观结构从而实现宏观上三维的可逆形变。相关成果以题为“Reprogrammable 3D Shaping From Phase Change Microstructures in Elastic Composites”发表在国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。

研究人员通过向硅橡胶（silicone elastomer）中引入可相变的微结构（石蜡微球），得到了一种形变可控的弹性复合材料。在预拉伸作用之下，石蜡微球会与硅橡胶基质发生分离，同时硅橡胶基质形成梭状的微空腔。通过局部热处理，石蜡会被融化成为液体，进而填充由于拉伸而产生的梭状空腔。当复合材料冷却后，石蜡的形状便由球状变成了梭状，从而可以“锁定”已经拉伸的部分而阻止其复原。当拉伸作用力去除之后，“非锁定”区域和“锁定”的区域会产生不同的拉伸恢复进而使得材料发生形变。值得注意的是，该形变过程是完全可逆的。对形变的材料再次施加热处理后，该材料就会由三维构型重新恢复到原始的平面状态。图b为石蜡微结构形态变化过程的显微图片。

研究人员通过不同的热图案（thermal pattering）设计，使得该复合材料能产生不同形变模式（例如弯曲，折叠，屈曲等），从而形成不同的三维结构。图为该形变过程的实物照片和有限元(finite element analysis, FEA)模拟结果。比例尺：5 mm。

另外，研究人员发现通过激光直写技术 (direct laser writing)对复合材料进行局部热处理(图a)，能够在材料表面形成可逆的微褶皱(图b-c)。该褶皱在宏观下能形成可反复擦写的图案（图d-e），证明其可以成为一种新型的“可重复写入纸（rewritable paper）”。

最后，研究人员通过该复合材料制备了一种可重构的软体气动驱动器，通过不同的热图案处理，平面的气动驱动器能变为不同的三维构型（图a-f），从而实现不同的驱动模式如联合抓取（图g）和单独抓取（图h）。比例尺：1 cm。

该研究的意义在于，提供了一种新思路用于构建可逆的三维构型，从而简易地制备出可形变的高分子复合材料。该方法对于可形变材料的研发有着重要的启示作用，同时也将大大推动高分子材料在柔体机器人，传感器、人工肌肉等领域的重要应用。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b20818

来源：Polymer-science 高分子科学前沿

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