多响应水凝胶材料的宏观组装与复杂三维变形

智能变形材料是许多高附加值器件的核心部件。在此应用中,材料的受激形变行为通常需要与复杂的宏观三维形状相结合,才能有效地驱动器件运行。挤出、注塑等传统的聚合物材料成型技术须针对特定的部件形状预先设计并制造模具,费事费力,难以满足部件个性化形状定制的要求。为解决这一问题,三维打印技术得以兴起。到目前为止,三维打印技术已可用于许多普通材料的加工成型。然而,可用于三维打印的智能材料仍十分有限。

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受乐高玩具的启发,浙江大学谢涛教授、赵骞讲师及其团队开发了一项平行于三维打印的成型技术,以制备具有复杂三维形状的智能聚合物材料。研究者以模块组装的方式,应用宏观材料表面间的超分子识别作用为粘结力,将具有不同环境响应性的水凝胶材料组装起来。这样,形状简单的模块就可被组装成各种具有复杂三维形状的整体。通过力学设计指导组装过程,组装后的材料可随环境条件(pH值或离子强度)的变化发生二维到二维(面内形变)或者二维到三维(离面形变)的形变。材料的组装还可在模块处于预形变的状态下进行,从而可以实现智能材料一维到三维的复杂形变,这是其他现有技术很难达到的效果。此外,控制超分子识别作用的强弱,可使材料模块重复组装/解组装,以多次使用。这种组装技术有望推广到其他智能材料体系中,如液晶弹性体与形状记忆聚合物。

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