美國(guó)科學(xué)家用4D打印發(fā)明新型“超材料”            

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

    在自然界中，蜂窩狀材料在機(jī)械上是非常高效的，尤其是在各種不同性能耦合方面。例如，自然界中發(fā)現(xiàn)的一些隨機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)，如牙齒、骨骼和鳥(niǎo)喙，相對(duì)于它們的密度來(lái)說(shuō)，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性。材料學(xué)中一些項(xiàng)目，就是模仿這類結(jié)構(gòu)，例如結(jié)構(gòu)和功能相似的聚合物或金屬泡沫。
相較而言，有序的蜂窩結(jié)構(gòu)，包括在自然界自然進(jìn)化而成的周期結(jié)構(gòu)，往往勝過(guò)隨機(jī)結(jié)構(gòu)。例如，軟體動(dòng)物的防御甲殼珍珠狀內(nèi)層是由堅(jiān)硬的磚塊樣結(jié)構(gòu)組成。相應(yīng)地，螳螂蝦進(jìn)化出了攻擊性的大螯鉤，用來(lái)高速撞擊軟體動(dòng)物的外殼，而它的前螯部分由抗斷裂的礦化纖維螺旋狀堆疊組成。
周期性和層次性結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛用于大型建筑中，如桁架橋和埃菲爾鐵塔?，F(xiàn)在，新型制造和3D打印技術(shù)還可以在納米、微、中、宏觀層次上建造蜂窩結(jié)構(gòu)，通常，這些材料都能表現(xiàn)出獨(dú)特的機(jī)械、功能和熱性能組合，成為所謂的“超材料”。

    超材料指的是一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，這些材料是自然界沒(méi)有的，包括輕量卻堅(jiān)硬、高機(jī)械彈性、具有負(fù)泊松比，以及具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的多材料布局。在過(guò)去，這些材料和建筑往往在生成后很快固定成型，這限制了他們的用處。
出于制造反應(yīng)更靈敏、適應(yīng)性更強(qiáng)材料的需要，“4D打印”成了材料領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。相較于3D，多出來(lái)的那個(gè)“D”代表時(shí)間。4D打印就是讓材料除了在X、Y、Z軸上輾轉(zhuǎn)騰挪之外，還會(huì)因?yàn)橥獠織l件的變化，隨時(shí)間推移而改變形狀或功能。由于機(jī)械力、溫度、膨脹和磁場(chǎng)的作用，4D打印材料可以自我重新配置，從而改變顏色或形狀。

    遺憾的是，到目前為止，現(xiàn)有的4D打印技術(shù)要么缺乏對(duì)機(jī)械性能的高度精確控制，要么由于傳輸限制或化學(xué)反應(yīng)本身的緩慢，需要很長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。為此，來(lái)自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)的一群材料科學(xué)家提出了一種新的4D打印方案——磁場(chǎng)反應(yīng)機(jī)械超材料(FRMM)，用來(lái)展示可編程、可預(yù)測(cè)和高度控制的機(jī)械性能變化，且具有大動(dòng)態(tài)范圍和快速可逆的響應(yīng)，方便應(yīng)用遠(yuǎn)程磁場(chǎng)。
為了獲得具有動(dòng)態(tài)可調(diào)剛度的FRMM，研究人員將磁流變流體懸浮液(MR)引入三維打印聚合物管的核心，也就是蜂窩單元和晶格的構(gòu)建模塊。MR是由懸浮在非磁性液體中的鐵磁性微粒組成的，在磁場(chǎng)的作用下，MR的粘度會(huì)迅速變化。在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，MR流體則表現(xiàn)為懸浮顆粒隨機(jī)分布的液體，懸浮顆粒會(huì)在平面基底上沉積時(shí)自由流動(dòng)形成池。
當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，懸浮顆粒沿磁場(chǎng)線排列成鏈，形成針狀、葉片狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)MR流體中的有序顆粒受到磁場(chǎng)作用，流體粘度單調(diào)增加，直至飽和。此時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)磁場(chǎng)，并不會(huì)產(chǎn)生額外的流變效應(yīng)。

    在提出理論后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相當(dāng)復(fù)雜的測(cè)試和驗(yàn)算，本文就不一一羅列了。簡(jiǎn)單說(shuō)，要制造這種包括支柱、蜂窩單元和晶格的3D結(jié)構(gòu)，要用到一種光化學(xué)掃描紫外線添加劑制造技術(shù)，名為大投影面積微立體光刻技術(shù)(LAPμSL)。通過(guò)這種技術(shù)，用固化液體樹(shù)脂形成固化2D層，再將基片放入樹(shù)脂浴中，掃描堆棧中放入后續(xù)圖像形成下一層。這個(gè)過(guò)程將一直進(jìn)行，直到生成一個(gè)3D部件。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，研究團(tuán)隊(duì)造出了可調(diào)FRMM，其具有大動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)遠(yuǎn)程應(yīng)用磁場(chǎng)具有快速和可逆的機(jī)械響應(yīng)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)單個(gè)磁流變桿的制作和測(cè)試，他們還開(kāi)發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)的模型，用來(lái)預(yù)測(cè)FRMM網(wǎng)格的磁力學(xué)響應(yīng)，為未來(lái)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作提供支持。

    此外，他們還創(chuàng)造了一種以3D打印技術(shù)和可控流體輸送方法為基礎(chǔ)的新制作流程，未來(lái)的FRMM可能由主動(dòng)尋址的微流體網(wǎng)絡(luò)組成，其中MR流體組成可以在空間和時(shí)間上進(jìn)行調(diào)整，以進(jìn)一步擴(kuò)展設(shè)計(jì)和可訪問(wèn)的屬性空間。此外，磁場(chǎng)調(diào)整可以增強(qiáng)方向控制，適用于更廣泛的變形模式和應(yīng)用環(huán)境。最終，F(xiàn)RMM可能被廣泛應(yīng)用于一系列新興應(yīng)用，包括軟體機(jī)器人、快速適應(yīng)頭盔和具有消振性能的智能可穿戴設(shè)備。

文章轉(zhuǎn)載自：前瞻網(wǎng)

            

美國(guó)科學(xué)家用4D打印發(fā)明新型“超材料”            

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

    在自然界中，蜂窩狀材料在機(jī)械上是非常高效的，尤其是在各種不同性能耦合方面。例如，自然界中發(fā)現(xiàn)的一些隨機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)，如牙齒、骨骼和鳥(niǎo)喙，相對(duì)于它們的密度來(lái)說(shuō)，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性。材料學(xué)中一些項(xiàng)目，就是模仿這類結(jié)構(gòu)，例如結(jié)構(gòu)和功能相似的聚合物或金屬泡沫。
相較而言，有序的蜂窩結(jié)構(gòu)，包括在自然界自然進(jìn)化而成的周期結(jié)構(gòu)，往往勝過(guò)隨機(jī)結(jié)構(gòu)。例如，軟體動(dòng)物的防御甲殼珍珠狀內(nèi)層是由堅(jiān)硬的磚塊樣結(jié)構(gòu)組成。相應(yīng)地，螳螂蝦進(jìn)化出了攻擊性的大螯鉤，用來(lái)高速撞擊軟體動(dòng)物的外殼，而它的前螯部分由抗斷裂的礦化纖維螺旋狀堆疊組成。
周期性和層次性結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛用于大型建筑中，如桁架橋和埃菲爾鐵塔?，F(xiàn)在，新型制造和3D打印技術(shù)還可以在納米、微、中、宏觀層次上建造蜂窩結(jié)構(gòu)，通常，這些材料都能表現(xiàn)出獨(dú)特的機(jī)械、功能和熱性能組合，成為所謂的“超材料”。

    超材料指的是一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，這些材料是自然界沒(méi)有的，包括輕量卻堅(jiān)硬、高機(jī)械彈性、具有負(fù)泊松比，以及具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的多材料布局。在過(guò)去，這些材料和建筑往往在生成后很快固定成型，這限制了他們的用處。
出于制造反應(yīng)更靈敏、適應(yīng)性更強(qiáng)材料的需要，“4D打印”成了材料領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。相較于3D，多出來(lái)的那個(gè)“D”代表時(shí)間。4D打印就是讓材料除了在X、Y、Z軸上輾轉(zhuǎn)騰挪之外，還會(huì)因?yàn)橥獠織l件的變化，隨時(shí)間推移而改變形狀或功能。由于機(jī)械力、溫度、膨脹和磁場(chǎng)的作用，4D打印材料可以自我重新配置，從而改變顏色或形狀。

    遺憾的是，到目前為止，現(xiàn)有的4D打印技術(shù)要么缺乏對(duì)機(jī)械性能的高度精確控制，要么由于傳輸限制或化學(xué)反應(yīng)本身的緩慢，需要很長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。為此，來(lái)自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)的一群材料科學(xué)家提出了一種新的4D打印方案——磁場(chǎng)反應(yīng)機(jī)械超材料(FRMM)，用來(lái)展示可編程、可預(yù)測(cè)和高度控制的機(jī)械性能變化，且具有大動(dòng)態(tài)范圍和快速可逆的響應(yīng)，方便應(yīng)用遠(yuǎn)程磁場(chǎng)。
為了獲得具有動(dòng)態(tài)可調(diào)剛度的FRMM，研究人員將磁流變流體懸浮液(MR)引入三維打印聚合物管的核心，也就是蜂窩單元和晶格的構(gòu)建模塊。MR是由懸浮在非磁性液體中的鐵磁性微粒組成的，在磁場(chǎng)的作用下，MR的粘度會(huì)迅速變化。在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，MR流體則表現(xiàn)為懸浮顆粒隨機(jī)分布的液體，懸浮顆粒會(huì)在平面基底上沉積時(shí)自由流動(dòng)形成池。
當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，懸浮顆粒沿磁場(chǎng)線排列成鏈，形成針狀、葉片狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)MR流體中的有序顆粒受到磁場(chǎng)作用，流體粘度單調(diào)增加，直至飽和。此時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)磁場(chǎng)，并不會(huì)產(chǎn)生額外的流變效應(yīng)。

    在提出理論后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相當(dāng)復(fù)雜的測(cè)試和驗(yàn)算，本文就不一一羅列了。簡(jiǎn)單說(shuō)，要制造這種包括支柱、蜂窩單元和晶格的3D結(jié)構(gòu)，要用到一種光化學(xué)掃描紫外線添加劑制造技術(shù)，名為大投影面積微立體光刻技術(shù)(LAPμSL)。通過(guò)這種技術(shù)，用固化液體樹(shù)脂形成固化2D層，再將基片放入樹(shù)脂浴中，掃描堆棧中放入后續(xù)圖像形成下一層。這個(gè)過(guò)程將一直進(jìn)行，直到生成一個(gè)3D部件。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，研究團(tuán)隊(duì)造出了可調(diào)FRMM，其具有大動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)遠(yuǎn)程應(yīng)用磁場(chǎng)具有快速和可逆的機(jī)械響應(yīng)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)單個(gè)磁流變桿的制作和測(cè)試，他們還開(kāi)發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)的模型，用來(lái)預(yù)測(cè)FRMM網(wǎng)格的磁力學(xué)響應(yīng)，為未來(lái)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作提供支持。

    此外，他們還創(chuàng)造了一種以3D打印技術(shù)和可控流體輸送方法為基礎(chǔ)的新制作流程，未來(lái)的FRMM可能由主動(dòng)尋址的微流體網(wǎng)絡(luò)組成，其中MR流體組成可以在空間和時(shí)間上進(jìn)行調(diào)整，以進(jìn)一步擴(kuò)展設(shè)計(jì)和可訪問(wèn)的屬性空間。此外，磁場(chǎng)調(diào)整可以增強(qiáng)方向控制，適用于更廣泛的變形模式和應(yīng)用環(huán)境。最終，F(xiàn)RMM可能被廣泛應(yīng)用于一系列新興應(yīng)用，包括軟體機(jī)器人、快速適應(yīng)頭盔和具有消振性能的智能可穿戴設(shè)備。

文章轉(zhuǎn)載自：前瞻網(wǎng)