Small Structures:通过双光子聚合直接激光写入制造温度响应4D液晶微执行器

原创署名:潘奕辰

单光子聚合通常由紫外光(波长250~400 nm)作为激发光源,引发剂吸收一个光子被激发后,产生自由基或阳离子等活性基团,引发单体聚合。双光子聚合与单光子聚合在机理上基本相同,但采用近红外(波长600~1000 nm)飞秒激光作为光源,引发剂同时吸收两个光子从而被激发,引发聚合反应。通过控制焦点(即光子强度高的区域),可以使精确地使液态树脂发生聚合而固化,加工出任意形状、空间分辨率高的结构。因此,基于刺激响应材料,通过激光诱导局部选择性聚合的技术也被称为4D打印。近十年的研究表明,基于直接激光写入的4D打印对微执行器的发展具有重要意义,微执行器能够执行复杂而精密的任务,包括移动、抓取和释放负载等。

近日,荷兰埃因霍温理工大学的Albert P. H. J. Schenning课题组和爱尔兰都柏林大学Larisa Florea课题组报道了一种使用双光子聚合制备4D液晶微执行器的方法,该执行器具有高度交联的聚合网络,且能够对温度进行响应。

本文首先介绍了这种液晶光刻胶的组成与制备方法,其单体结构及比例如下图(a)所示,其中1~3为交联单元,4则作为介晶单元。所合成的液晶化合物的各向同性/向列相转换温度约为100 °C,室温下向列相液晶可以不结晶存在8小时以上。此外,为了实现双光子聚合,该光刻胶内还添加了1.3 mol% 5作为光引发剂。

接着,作者基于合成的液晶光刻胶进行了双光子聚合单轴取向3D微结构的制备。首先将液晶光刻胶填充在涂有单轴取向层的玻璃板上,然后用波长780 nm、功率20~25 mW的激光进行写入,完成固化后再用异丙醇溶解未反应的单体。扫描电子显微镜表征显示,制造的3D微结构与CAD设计非常接近,表明聚合收缩在该过程中得到了良好的控制。

之后,作者对构建的六边形阵列进行了温度响应实验。当在20~220 °C范围内加热时,材料表现出各向异性的变化,平行于取向方向的一侧(下图(a)中x)收缩,垂直侧(下图(a)中y)则膨胀,高度z增加,这种变化归因于温度引起的分子无序程度增加。此外,作者还进行了10次30~220 °C的加热/冷却循环,结果如下图(c)所示,该材料可进行可逆的形状变化,且在高温下仍未出现疲劳迹象。

Temperature-Responsive 4D Liquid Crystal Microactuators Fabricated by Direct Laser Writing by Two-Photon Polymerization

Marc del Pozo, Colm Delaney, Marina Pilz da Cunha, Michael G. Debije, Larisa Florea*, Albert P. H. J. Schenning*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100158

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100158