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刺激响应性聚合物能够在外界光、热、电、磁、湿度、pH等刺激条件下调整分子结构或材料的尺寸和状态，也被称为“智能材料”。形状记忆聚合物材料作为一类已经被深入研究和应用开发的智能材料，广泛的应用于各种智能致动器件的制备。热刺激响应性的聚氨酯材料是形状记忆材料中的典型代表，具有优异的刺激响应调控性，容易加工成型。同时，3D打印作为一种广受关注的材料成型技术，能够简便地构筑各种复杂、精细的结构。将3D打印技术和智能材料结合起来，实现结构复杂“智能器件”的高精度、简便、高效构筑成为当前材料领域的研究热点。

近日，新加坡南洋理工大学陈晓东（Xiaodong Chen）教授研究团队采用熔融沉积建模3D打印技术，以炭黑改性聚氨酯形状记忆聚合物为基材，简便地构筑了具有光热响应性的精美“向日葵花”致动器件。基于聚氨酯材质的热敏形状记忆性能，结合材质中炭黑的光热效应，通过外界光诱导实现了“向日葵花”的自动绽放。相关论文发表于Advanced Materials 杂志上，第一作者为Hui Yang。

陈晓东教授。图片来源：Nanyang Technological University

3D打印制备光响应性聚氨酯器件示意图。图片来源：Adv. Mater.

炭黑、氧化石墨烯等碳材料能够吸收入射光，产生热量，因此将传统的热敏性聚氨酯材料中混入炭黑能够简单地赋予聚氨酯材料光热响应性，而相关器件也能更精确、简便的进行实时光调控。同时，炭黑材料的掺杂改性不影响其复合材质优异的热塑加工性能，适用于3D打印成型。由此材料成型的结构（如下图所示立方体框架）进行加热-冷却形变处理后，对材料进行氙灯照射，材料在光热效应的作用下能够迅速（～160 s）恢复其初始形貌，展现出较好的形状记忆性能。除了在人工光源下，这种材料在阳光下一样表现出了良好的光响应性形状记忆性能（下图b）。不过，考虑到改性聚氨酯材质入射光的穿透性，为了保证器件具有较好的光热响应，需要对器件材料厚度和入射光功率密度进行精细设计。

光敏聚氨酯结构的光诱导形状记忆行为。图片来源：Adv. Mater.

阳光诱导形状记忆行为。图片来源：Adv. Mater.

研究人员进一步采用3D打印技术构筑了结构复杂的光诱导形状记忆聚氨酯“向日葵花”。该光响应形状记忆的“向日葵花”，不仅能够在氙灯照射下几分钟内就“开花”，而且在太阳光的照射下仍然能够“绽放”。

3D打印“向日葵花”的光响应性展示。图片来源：Adv. Mater.

光照下“开放”的3D打印“向日葵花”。图片来源：Adv. Mater.

——总结——

形状记忆材料等智能材料在仿生/软体机器人、致动器等诸多领域有着广泛的应用前景。但是，传统的成型方式对器件的形状方面具有较大局限性。陈晓东教授研究团队基于当前应用广泛的3D打印技术，基于光热响应性形状记忆材料设计和构筑了刺激响应性的复杂形状智能器件。该研究成果有望广泛应用于高度订制化的仿生智能设备、软体机器人等领域，同时也为其他刺激响应性的致动器件构筑提供了重要借鉴。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

3D Printed Photoresponsive Devices Based on Shape Memory Composites

Adv. Mater., 2017, 29, 1701627, DOI: 10.1002/adma.201701627

导师介绍

陈晓东

http://www.x-mol.com/university/faculty/45891

（本文由宗传永-济大供稿）

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