通過3D約束和雙光子激光打印實(shí)現(xiàn)液晶的準(zhǔn)直和驅(qū)動

智能材料的定制化設(shè)計(jì)與精密制造技術(shù)正在迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍廣泛，包括微流控系統(tǒng)、微型傳感技術(shù)以及生物醫(yī)療工程等。雙光子激光打�。�2PLP），作為一種基于雙光子聚合的增材制造技術(shù)，憑其能實(shí)現(xiàn)亞微米級精度的三維（3D）結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，對智能微系統(tǒng)的生產(chǎn)制造產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。其關(guān)鍵在于選用適合打印的智能材料能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜幾何構(gòu)型與材料的刺激響應(yīng)性及功能性特征的結(jié)合。其中，液晶彈性體（LCEs）展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，它們能借由外界激勵（尤其是溫度變化）引發(fā)顯著且可逆的體積形變，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力的機(jī)械致動性能。此類響應(yīng)依賴于在向列型至各向同性轉(zhuǎn)變過程中，預(yù)排列液晶分子（介元）重新定向時所產(chǎn)生的大且可逆的體積變化。

近年來，研究人員致力于利用2PLP技術(shù)推進(jìn)LCE微系統(tǒng)的制造，尤其是對創(chuàng)新的（多）響應(yīng)式可打印系統(tǒng)的開發(fā)。盡管如此，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多局限于單一維度的運(yùn)動表現(xiàn)，這在很大程度上阻礙了LCE驅(qū)動模式復(fù)雜度的提升。該局限性的核心挑戰(zhàn)在于三維精確調(diào)控LCE分子取向的難題，而分子取向直接關(guān)乎LCE的驅(qū)動特性。

為了在3D打印流程中實(shí)現(xiàn)對液晶（LC）單體排列的有效控制，一個直觀的策略是運(yùn)用功能化表面技術(shù)。該技術(shù)涉及校準(zhǔn)單元的使用，其中LC單體被封裝在經(jīng)過特殊處理的兩片玻璃載玻片間的微小間隙內(nèi)。這些改性表面，包括聚合物涂層或表面摩擦，能夠在LC介質(zhì)中實(shí)施全局性的定向場，從而僅能產(chǎn)生單一的驅(qū)動模式。為了達(dá)到預(yù)期的驅(qū)動，打印進(jìn)程中對LC取向的精細(xì)操控至關(guān)重要。然而，在現(xiàn)有多數(shù)研究中，取向調(diào)節(jié)高度依賴于表面改性手段，這限制了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜取向模式與多樣化驅(qū)動行為的可能性。

海德堡大學(xué)的研究人員提出了一種創(chuàng)新策略，借助三維打印技術(shù)以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基的微觀支架作為結(jié)構(gòu)約束，實(shí)現(xiàn)在三維環(huán)境中對LC區(qū)域的空間定向排列，進(jìn)而在立體空間內(nèi)誘導(dǎo)期望的導(dǎo)向場分布。通過采用朗道-德-吉恩（Landau-de Gennes）理論框架，針對特定邊界條件下的導(dǎo)向場進(jìn)行了理論計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)測量的雙折射模式與理論預(yù)測結(jié)果的對比驗(yàn)證了該方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的高度一致性，證明了LC導(dǎo)向結(jié)構(gòu)控制能力的精確性跨越了傳統(tǒng)平面限制，同時揭示了沿z軸的深度可控定向能力。

圖1. 打印流程示意圖。

圖2. 具有定制LCE微結(jié)構(gòu)的3D打印示意圖。

圖3. LC結(jié)構(gòu)沿z軸的定向控制。

圖4. 不同排列方式的4D微夾持器示意圖。

此外，該方法還用于研究溫度對3D打印LC微結(jié)構(gòu)的驅(qū)動作用，并準(zhǔn)確地觀察到彈性理論預(yù)測的變形。同時該研究設(shè)計(jì)并展示了不同復(fù)雜結(jié)構(gòu)，進(jìn)而利用這些程序化結(jié)構(gòu)制造出能夠展現(xiàn)預(yù)期驅(qū)動特性的四維微結(jié)構(gòu)，標(biāo)志著向功能性4D（微）打印材料的理性設(shè)計(jì)邁出了重要一步。

相關(guān)研究成果以題為“Alignment and actuation of liquid crystals via 3D confinement and two-­photon laser printing”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。