Nat. Commun.：液態金屬復合物材料助力4D打印軟體機器人

一、【導讀】

4D打印代表了增材制造中的前沿技術，其中最初靜態的3D打印材料會隨著時間的推移而發生形狀轉換。這種先進的4D打印技術徹底改變了材料設計和制造，特別是軟機器人領域。傳統的3D打印聚合物對光、電和磁場等外部刺激的反應有限，限制了它們在4D打印應用中的應用。由于其優異的物理特性，如導電性、光熱性、磁性等，將剛性納米粒子集成到軟機器人中似乎為提高軟機器人的刺激響應能力提供了一種實用的解決方案。然而，剛性納米粒子摻雜的軟機器人面臨著一些障礙，包括降低了軟機器人的靈活性，不可避免地增加了材料的機械硬度，進而限制了它們的形狀恢復和變形能力。

?二、【成果掠影】

近日，澳大利亞昆士蘭大學喬瑞瑞研究員、Thomas P. Davis教授與英國南安普頓大學唐詩楊副教授將可逆加成-斷裂鏈轉移聚合劑接枝到液態金屬納米顆粒（LMNPs）上，成功地應用于紫外光介導的立體3D打印和近紅外光響應4D打印。通過一鍋法在3D打印樹脂中直接制備球形液態金屬納米顆粒，為制備液態金屬-聚合物復合材料（LMPCs）提供了一種簡單有效的策略。與剛性納米顆粒不同，納米顆粒的柔軟和液體性質降低了3D打印材料的玻璃化轉變溫度、拉伸應力和模量。這種方法能夠實現復合材料的光熱誘導4D打印，如3D打印復合材料的程序化形狀記憶所證明的那樣，在60s內快速恢復到其原始形狀?。這項工作為液態金屬-聚合物復合材料在4D打印中的應用提供了一個視角，展示了它們在軟機器人領域的應用潛力。研究成果以題為“3D-printed liquid metal polymer composites as NIR-responsive 4D printing soft robot”發表在知名期刊Nature Communications上。

三、【核心創新點】

通過整合RAFT鏈轉移試劑可以制備單分散、穩定液態金屬納米顆粒，并將其用于3D打印復合材料，隨后通過整合其光熱響應以及形狀記憶能力，對于3D打印液態金屬聚合物復合材料在軟機器人的應用進行了進一步研究，驗證了其不限于抓取釋放以及雙穩態轉變的功能性。

四、【數據概覽】

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圖1? RLMNPs的制備和表征 ? 2023 Springer Nature

（a）在乙醇溶液中通過超聲制備RLMNP示意圖。

（b-d）RLMNPs的TEM圖片、DLS測量的直徑、元素mapping圖像。

（e-g）LMNPs、RAFT試劑和RLMNPs的表面電位、UV吸收光譜以及FTIR光譜。

圖2? LMPCs的3D打印及表征 ? 2023 Springer Nature

（a）以TPO為光引發劑，TBAm為單體，PEGDA為交聯劑，RLMNPs為RAFT劑，制備3D打印復合物（LMPCs）的示意圖。

（b）使用RLMNP的3D打印物體的SEM照片和EDS元素圖。

（c）3D打印LMPCs中RLMNP的SEM照片和EDS元素圖譜。

（d）使用立體3D打印技術制造了悉尼歌劇院模型。

（e）LMPCs和不含RAFT制劑的LMPCs的機械性能。

（f）含有不同濃度RLMNPs（0、0.5、1和2 wt%）的LMPCs的機械特性。

圖3? 使用不同單體制造LMPCs及其表征 ? 2023 Springer Nature

（a）分別以HEAAm、HEAm、TBAm和DMAm為主要單體，在不同的液體樹脂中制備RLMNPs。

（b）不同單體液體樹脂中RLMNPs的TEM照片。

（c）用DLS測量液體樹脂中不同單體的RLMNPs的粒度分布直方圖。

（d）測定了使用不同單體的3D打印LMPCs的機械性能以及20℃時3D打印物體的儲能模量。

圖4? 具有1 wt% RLMNPs的LMPCs的NIR響應4D打印 ? 2023 Springer Nature

（a）光熱誘導4D打印示意圖。

（b-c）光熱效應和3D打印復合材料的恢復角（%）。

（d）808nm激光照射60s后3D打印LMPCs的形狀恢復過程。

（e）通過開啟/關閉激光可控地恢復3D打印材料的形狀。

（f）激光照射下螺旋物體的形狀恢復過程。

（g）LMPCs在NIR響應4D打印前后的機械性能。

圖5? 使用1 wt% RLMNPs進行NIR響應式4D打印的應用 ? 2023 Springer Nature

（a）形狀記憶聚合物在重復編程和光誘導4D打印中的再循環過程。

（b）用808 nm激光照射LMPCs 60s 25個循環后，其恢復角隨時間的變化。

（c）4D打印引發的舉重過程。

（d）在808 nm激光照射下，3D打印的LMPCs在表面放置不同重量倍數（0、3、5和6）的物品時的恢復角。

圖6? 3D打印LMPCs作為NIR響應軟機器人的應用 ? 2023 Springer Nature

（a-b）通過NIR響應LMPCs釋放物體的示意圖和演示。

（c-d）使用NIR光控LMPCs抓取和釋放物體的示意圖和演示。

（e-f）旋轉結構在NIR光照后轉變為原始形狀的圖示和演示。

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五、【成果啟示】

該工作成功開發了一種將液態金屬納米顆粒集成到3D打印樹脂中的多功能方法，從而制造出具有降低機械強度、出色光熱性能和形狀記憶能力的高分辨率液態金屬聚合物復合材料。它展示了卓越的可重復性、強大的舉重和先進的軟體機器人功能，預示著機器人、醫療工具和執行器的巨大潛力。

原文詳情：3D-printed liquid metal polymer composites as NIR-responsive 4D printing soft robot (Nat. Commun. 2023, 14, 7815)

本文由大兵哥供稿。