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  智能器件在科學(xué)前沿領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如溫控開關(guān)、傳感器與制動(dòng)器和仿生機(jī)器人等，其形狀會(huì)直接影響其功能。由于制備模具和脫模過程比較繁瑣和困難，傳統(tǒng)的模塑法不能滿足日新月異的智能設(shè)備的制造。3D打印技術(shù)可以制備高度復(fù)雜的定制產(chǎn)品，在生物醫(yī)療、航天器和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但由于其層層疊加的特性，目前3D打印仍然受限于打印速度慢，打印材料選擇面窄等問題。

  近年來，圍繞以上問題，浙江大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝濤課題組開展了一系列工作。受非均質(zhì)二維平面在釋放內(nèi)應(yīng)力后轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)這一現(xiàn)象的啟發(fā)，結(jié)合數(shù)字化光固化工藝，實(shí)現(xiàn)了聚合物的超快速三維成型（Adv. Mater. 2017, 29, 1605390）。在此次工作中，研究人員使用兩種截然不同的水凝膠體系和溶脹石蠟體系說明了該技術(shù)的通用性。

圖1. 制備過程的示意圖與單體和交聯(lián)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

  近日，該團(tuán)隊(duì)成功將上述技術(shù)應(yīng)用于形狀記憶聚合物的制備。形狀記憶聚合物為丙烯酸甲酯、丙烯酸異冰片酯與1,6-乙二醇二丙烯酸酯的共聚物。研究人員系統(tǒng)地研究了該形狀記憶聚合物前驅(qū)液的光固化動(dòng)力學(xué)、曝光參數(shù)與聚合物性能之間的關(guān)系。上述原料構(gòu)成的聚合物前驅(qū)液在具有特定圖案和灰度的數(shù)字光源下進(jìn)行曝光、固化得到二維聚合物薄膜，該薄膜經(jīng)過殘留單體脫除后將轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)設(shè)的三維結(jié)構(gòu)。數(shù)字化灰度曝光起到兩方面作用，一是賦予形狀記憶聚合物一個(gè)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，二是在得到的形狀記憶聚合物中實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的熱力學(xué)性能（相轉(zhuǎn)變溫度、模量、斷裂伸長率等）差異。進(jìn)一步地，研究人員還探索了該技術(shù)在三維光學(xué)器件與柔性電子器件方面的應(yīng)用。

圖2. 材料的形狀記憶性能

圖3. 數(shù)字化形狀記憶聚合物的潛在功能展示

  利用該方法制備具有先進(jìn)功能的結(jié)構(gòu)復(fù)雜智能設(shè)備展示出了普適性與簡便性。同時(shí)，其中的化學(xué)設(shè)計(jì)可以拓展到一系列不同的材料中。

  相關(guān)工作以題目為“4D Printing of a Digital Shape Memory Polymer with Tunable High Performance”的研究論文已發(fā)表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（DOI：10.1021/acsami.9b11062）上。博士生張玥為第一作者，通訊作者為謝濤教授與吳晶軍博士。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11062

  Zhang Y, Huang LM, Song HJ, Ni CJ, Wu JJ,* Zhao Q, Xie T.*

  4D Printing of a Digital Shape Memory Polymer with Tunable High Performance.

  ACS Appl. Mater. Inter., 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b11062