北大工學院方岱寧課題組：利用正面光聚合制備復雜三維高分子自折紙結構

【成果簡介】

北京大學工學院方岱寧課題組與美國佐治亞理工學院H. Jerry Qi課題組合作，利用高分子光聚合時的體積收縮效應，調控材料固有的內應力，制備出復雜的三維自折紙結構。研究成果以“Origami by frontal photopolymerization”為題在線發表于4月28日的Science Advances期刊上。

【圖文導讀】

圖1. 正面光聚合制備的自折紙結構

改變正面光聚合的入射光強和光照時間，高分子膜彎曲的曲率可以被定量調控。

圖2. 調控材料固有的內應力，最先固化的材料中存在壓縮殘余應力，后續固化的材料存在拉伸殘余應力

(A)正面光聚合自彎曲原理示意圖。

(B)正面光聚合自彎曲實驗與理論預測。

(C)光固化高分子膜中殘余內應力的建立。

【研究內容】

近年來，通過功能材料及特定激勵誘導結構產生自發變形的自折紙技術吸引了越來越多的研究興趣。自折紙結構以其優異的力學性質和廣泛的結構適應性，在可穿戴電子器件、軟機器人、生物醫學以及力學超材料等領域展示出廣闊的前景。目前的自折紙技術大多依賴于復雜結構設計、特定材料體系或者冗余的制備工藝，這些因素極大限制了其實際應用。

方岱寧課題組在研究中發現，利用高分子光聚合時的體積收縮效應，無需引入特殊材料或額外激勵，就可以實現自發折紙過程。對于復合材料制備和傳統3D打印，高分子的體積收縮會誘發形狀畸變，往往被認為是有害的，而該團隊的研究則起步于一個不同的角度。在正面光聚合(Frontal photopolymerization)過程中，高分子從接受光照的一側連續固化并逐漸增加厚度，由于體積收縮效應，固化的材料中產生了非均勻殘余應力場，最先固化的材料中存在壓縮殘余應力，而后續固化的材料存在拉伸殘余應力，驅使高分子膜沿著光路向后續固化的方向發生彎曲變形。該團隊通過理論預測和實驗驗證發現，改變正面光聚合的入射光強和光照時間，高分子膜彎曲的曲率可以被定量調控。基于這個思路，將可以產生非均勻光強分布的灰度圖像投影到一層液體單體上，強光下固化的高分子層不會彎曲，弱光下的高分子層則呈現較大的彎曲變形，從而制備出復雜的三維折紙結構，包括多面體膠囊、花瓣以及紙鶴等。這項技術為自折紙研究提供了一個新的方向，即調控材料固有的內應力。該課題還在自折紙領域進行了一些其他方向的探索，如溶劑誘導的可逆自折紙技術。

以上論文第一作者為工學院博士生趙則昂，通訊作者為方岱寧院士和佐治亞理工學院的H. Jerry Qi教授。該研究得到國家留學基金委及美國自然科學基金的支持。

原文鏈接：http://www.coe.pku.edu.cn/research-news/5016.

文獻鏈接：

1.Origami by frontal photopolymerization

2.Desolvation Induced Origami of Photocurable Polymers by Digit Light Processing

本文由材料人編輯部孟令曉編輯，點我加入材料人編輯部。

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