美國(guó)黑科技：多種可變形的4D打印結(jié)構(gòu)

寂靜天花板

日前，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)展示了一種特殊的3D打印技術(shù)，使用這種技術(shù)3D打印出來(lái)的結(jié)構(gòu)能夠變形，當(dāng)暴露于熱環(huán)境或者受到電流刺激的時(shí)候，這種3D打印結(jié)構(gòu)能夠折疊或者展開以改變形狀，也就是我們常說(shuō)的4D打印。這種帶微型結(jié)構(gòu)的對(duì)象是用該實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的一種能夠響應(yīng)環(huán)境的導(dǎo)電性聚合物制造的。

在《Scientific Reports》雜志最近發(fā)表的一篇文章中，LLNL的研究人員透露了他們打算使用形狀記憶聚合物或者基于生物的“智能”材料打造立方體、螺旋和球形的計(jì)劃。據(jù)悉，這些材料在通過電阻加熱或者暴露在適當(dāng)?shù)臏囟戎聲r(shí)會(huì)出現(xiàn)形狀的變化。

這種在3D打印中使用敏感材料的方法，通常被稱為“4D打印”，并不是最近才出現(xiàn)的，關(guān)鍵在于，LLNL的研究人員這次是首次將3D打印技術(shù)以及之后的折疊過程（通過折紙的方法）與能夠?qū)щ姷闹悄懿牧辖Y(jié)合起來(lái)，以打造出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

在論文中，研究人員描述了用一種用大豆油加上共聚物和納米碳纖維制成的墨水創(chuàng)建出基本形狀，然后在設(shè)計(jì)溫度下（由其化學(xué)成分決定）將它們“編程”為一種臨時(shí)形狀。然后通過環(huán)境熱能或者是電流加熱誘導(dǎo)出材料的變形效果，它能夠從從部件的臨時(shí)形狀恢復(fù)到原來(lái)的形狀。

通過一種直接墨水寫入的3D打印工藝，LLNL的科學(xué)家們制造出了幾種類型的結(jié)構(gòu)，包括一種暴露在熱環(huán)境中能夠變大的支架。“這就像做蛋糕。”該論文的主要作者Jennifer Rodriguez說(shuō)，她是LLNL材料工程部的一位博士后。“當(dāng)你把它拿出爐之前所有的都已經(jīng)設(shè)定好了，我們?cè)谶@種聚合物最初凝膠化之后就通過折疊或者扭搓設(shè)定好了該部件的永久結(jié)構(gòu)。”

最終，Rodriguez說(shuō)，研究人員可以使用這種材料創(chuàng)建出非常復(fù)雜的零件。

“如果我們用這些配方具有不同轉(zhuǎn)變溫度的多種版本3D打印出一個(gè)部件，然后慢慢升高溫度，它們就會(huì)以分段的方式進(jìn)行擴(kuò)展，并且展開成復(fù)雜得多的東西。”她說(shuō)。

通過直接墨水寫入3D打印工藝，研究團(tuán)隊(duì)制造出了幾種類型的結(jié)構(gòu)——比如一個(gè)彎曲的導(dǎo)電裝置，當(dāng)遇到電流或者熱時(shí)就會(huì)變直；一個(gè)疊起來(lái)的支架，遇熱后會(huì)展開；還有一個(gè)盒子，在遇熱后會(huì)打開或關(guān)閉。

科學(xué)家們說(shuō)，這一技術(shù)可以用于醫(yī)療、航空航天（比如陣列式的太陽(yáng)能電池或者能展開的天線），以及柔性電路和機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域。據(jù)悉，這項(xiàng)研究源于LLNL內(nèi)部的一個(gè)開發(fā)高性能3D打印碳纖維復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究與開發(fā)項(xiàng)目。

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