发布日期:2025-02-12 18:07 点击次数:61
民众好! 3D打印民众详情王人不生分,那你们外传过4D打印吗?4D打印可不仅仅浮浅的升级,它能让打印出来的物体跟着时间“变形”!今天,我们就沿途来了解袖珍4D打印的神奇寰宇——《Beyond 3D: Smart Material Systems for Microscale 4D Printing》发表于《Advanced Materials Technologies》,望望那些智能材料和先进时刻是奈何创造遗迹的。
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一、袖珍4D打印初认知
在追究运行前,先给民众浮浅先容一下什么是4D打印。3D打印能制造出各式大小的物体,从轻飘的生物医学建立到大型的航空部件王人不在话下。而4D打印是由麻省理工学院的SkylarTibbits在2013年建议的见地,它比3D打印多了一个“时间”维度,浮浅来说,等于打印出来的物体能跟着时间发生时事变化。这是奈何作念到的呢?靠的等于智能材料啦,这些材料能对外界刺激作念出反应,篡改自己的性质。
二、袖珍4D打印的“材料宝库”
接下来,我们沿途望望袖珍4D打印用到的神奇材料。智能材料就像一群“聪惠的小精灵”,能对外界刺激作念出反应,篡改自己的性质。在4D打印里,刺激反映型团员物是究诘最多的智能材料,这是因为团员物和各式增材制造时刻王人能很好地协作。这些智能材料大多通过体积或时事变化来“展示”我方的才调,在微不雅门径的应用中额外受接待。
先来说说水凝胶,它就像是一个能吸水的“小海绵”,是一种3D交联的团员物收罗,不错领受多半水分。它的形成神色有两种,物理交联不详化学交联,就像把一根根绳索系在沿途,形成一个网状结构。水凝胶里的小孔被亲水的侧链包围,是以能把水“困”在内部,遇水就会彭胀。闲居水凝胶能笔据湿度篡改体积,而智能水凝胶还能对化学物资、光、温度等刺激作念出反应。
这张图展示了水凝胶收罗的可逆彭胀行径,以及常见的单体、交联剂的化学结构。不外,要把水凝胶变成能用于袖珍打印的光刻胶可退却易,得优化配方和加工参数。咫尺,水凝胶是2PP打印最常用的智能材料,通过遴荐特定单体、添加纳米颗粒不详共聚不同单体,能让水凝胶有不同的反映。比如用丙烯酸(AAc)和牛血皎皎卵白(BSA)能制备对pH反映的水凝胶,用N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)能制备对温度反映的水凝胶。
再望望液晶弹性体(LCE),液晶是一种很神奇的物资景色,兼具晶体的各向异性和液体的各向同性,这是因为它在有序和无序景色之间能可逆迁移。LCE是含有液晶部分的弹性团员物收罗,它把橡胶的弹性和液晶的各向异性邻接在沿途。
从图中不错看到,跟着温度升高,液晶会发生相迁移,而LCE的化学结构和收罗组成也很独到。LCE能对多种外部刺激产渴望械和光学反映,不外,要念念让它有大的、可逆的、各向异性的反映,得把液晶单位胪列成单畴,这可不是一件容易的事。咫尺,LCE前体大多基于丙烯酸化合物,4D打印的LCE建立主如果热驱动的,联系袖珍建立的制造还比拟少,但将来发展后劲很大。
还无意事回首团员物(SMP),它就像一个回首专家,能在弥远时事和临常常事之间无穷切换。笔据时事回首效应,SMP不错分为单向、双向和多重SMP。它的时事回首成果不是天生的,而是通过“编程”杀青的,就像给它设定了一个“回首开关”。
这张图展示了SMP的编程和复原方法,往往是加热、变形、冷却、去除应变,这么就设定好了临常常事,再次加热又能复原弥远时事。SMP在袖珍4D打印中往往对温度反映,不外也不错通过添加特别颗粒,让它对其他刺激也有反应。
临了是复合材料,它是由两种或更多不同材料组合而成的。在袖珍4D打印中,复合材料的基体往往是轻度交联的团员物,比如水凝胶、弹性体或SMP材料,增强相是纳米级的填料,是以也叫纳米复合材料。
看这张图,它展示了一种由水凝胶基体和碳纳米管纳米填料组成的复合材料,光不错让它产生光热效应,从而杀青结构的可逆彭胀。添加不同的纳米填料,能赋予复合材料新的功能和反映,不外袖珍SMP复合材料在制造时会遭遇一些挑战,比如光刻胶粘度高、填料会引起光散射等。
三、袖珍4D打印的“神奇器具”
了解了材料,我们再来望望袖珍4D打印用到的时刻,这些时刻就像是工匠手中的神奇器具,能把材料变成各式小巧的微不雅结构。
先讲讲双光子团员(2PP),它然而袖珍4D打印的“明星时刻”。民众看这张图,2PP是通过把脉冲激光聚焦到负性光刻胶中,诳骗双光子领受的非线性进程,让团员区域局限在很小的体积内,这个小体积就像一个“小积木块”,叫作念体素。2PP是咫尺惟一能制造出小于阿贝衍射极限特征的3D打印时刻,辞别率超高。它不错打印各式智能材料,迪士尼彩乐园不外一般合适打印单一材料的结构,如果念念打印多材料结构,就得用一些特别方法,比如划定打印、主动材料交换等。2PP的材料需求少,合适打印稀缺光刻胶,在微光学、微机器东说念主等许多领域王人有应用。
数字光处理(DLP)亦然一项进犯时刻。DLP诳骗数字光投影仪和数字微镜建立,通过一系列2D数字图像逐层团员光刻胶,从而形成3D结构。它的辞别率在微米级别,打印区域比2PP大,合适制造较大的结构。和2PP雷同,DLP也合适打印单一材料的结构,但咫尺也有许多杀青多材料制造的方法。在4D打印中,热反映性SMP是DLP究诘最多的刺激反映材料,不外要让SMP前体适用于DLP打印,得保证它能紫外固化。DLP在定制药片、组织模子等生物医学领域有泛泛应用。
除了2PP和DLP,还有一些其他时刻也在袖珍4D打印中崭露头角。比如激光相通正向转动(LIFT),它能转动许多种材料,在传感器制造等领域有上风,诚然咫尺辞别率有限,但在生物打印方面很有后劲。平直墨水书写(DIW)在宏不雅4D打印中很常用,通过微挤出时刻也能应用在袖珍4D打印中,它老本低,还能杀青LCE的取向,而况不错进行多材料打印。不外,这些时刻也王人有各自的挑战,比如LIFT打印时间长,DIW咫尺打印精度还有晋起飞间。
四、袖珍4D打印的“神奇变身”与应用
袖珍4D打印的微不雅结构对化学物资、光、温度等刺激会作念出各式原理的反应,这些反应还催生了许多改进应用。
先望望化学刺激反映。水凝胶对化学刺激的反映额外常见,比如基于AAc或BSA的阴离子水凝胶对pH有反映,还有对溶剂、糖、离子等有反映的水凝胶。这张图展示了对糖反映的水凝胶的彭胀机制,以及对离子反映的水凝胶的微不雅结构变化。通过篡改水凝胶的交联神色,不详把它和其他团员物邻接,能让水凝胶产生各向异性的反映,这些特点不错用在微传感器、微致动器等方面。
光看成刺激技巧也很原理,它不错杀青精准的时空限制,而且不会对物体酿成损害。光驱动有多种能量调养步地,比如光机械、光热、光化学和光电驱动。咫尺大多数智能光驱动材料是基于光热驱动的。图中展示了光反映材料的一些例子,像光致变色分子和发色团,它们领受光子后会发生结构变化,从而杀青微不雅结构的畅通。不外,把这些光反映分子加入光刻胶配方可退却易,最近有究诘通过新的掺杂政策处理了一些问题,而且还能杀青多色驱动。近红外驱动在生物环境中很有上风,通过金属纳米颗粒或碳纳米管等,不错让材料对近红外光产生反映。
温度亦然常见的刺激身分。SMP大多对温度反映,通过加热和冷却不错杀青时事的编程和复原。这张图展示了SMP在不同温度下的时事变化进程。水凝胶和LCE也能对温度作念出反应,比如基于NIPAM的水凝胶会随温度彭胀或松开,LCE微结构加热时会沿特定标的松开或彭胀。这些温度反映特点不错用在神气切换、时事复原等方面。
这些微不雅结构的时事变化在许多领域王人有本色应用。在传感器方面,诳骗智能材料对环境变化的反映,不错制造出对温度、湿度、pH等敏锐的微传感器。比如有一种对温度和湿度双反映的微传感器,等于诳骗了特别材料的特点。在微致动器领域,通过限制智能材料的时事变化,不错杀青物体的持取、出动等动作。
像能对多种刺激反映的袖珍持手,等于很好的例子。在信息加密和数据存储方面,诳骗光反映的LCE不错制作加密代码、数据存储建立等。
临了,在载体结构方面,袖珍4D打印不错制造用于药物寄递的微机器东说念主。比如一种基于水凝胶的鱼形微机器东说念主,能笔据pH变化限制药物开释。
五、袖珍4D打印濒临的挑战与处理之说念
诚然袖珍4D打印很神奇,但它在发展进程中也遭遇了一些挑战。
材料方面:需拓展智能材料种类和刺激反映类型,优化材料配方以提高致动进程和富厚性,处理 LCE 取向和水凝胶传感的相通性、特异性问题,劝诱对多种刺激正交反映的材料。
设想与制造方面:需进行智能设想,通过逆设预备法笔据时事变化需求设想微结构;优化制造参数,邻接表面建模减少试验次数;提高制造通量和多材料结构制造着力。
六、袖珍4D打印的将来瞻望
袖珍 4D 打印发展飞速,但在材料和制造时刻上仍有晋起飞间。将来应采选系统方法优化材料反映,劝诱模块化多功能微机器东说念主,跟着时刻发展有望杀青大领域制造,鼓励多领域应用发展。
七、沿途来作念作念题吧
1、对于 4D 打印的界说,以下说法正确的是?
A. 4D 打印是在 3D 打印基础上,加多了神气维度的打印时刻
B. 4D 打印中的第四维度是时间,打印物体能随时间发生时事变化
C. 4D 打印只可使用一种智能材料进行打印
D. 4D 打印咫尺仅应用于宏不雅物体的制造
2、在袖珍 4D 打印常用的智能材料中,水凝胶的主要特点是?
A. 对温度变化不敏锐
B. 是一种 3D 交联的团员物收罗,能领受多半水分
C. 打印前需复杂的 alignment 方法
D. 主要通过光热效应杀青时事变化
3、双光子团员(2PP)时刻在袖珍 4D 打印中的上风是?
A. 打印速率快,合适大领域坐蓐
B. 能松驰杀青多材料打印,无需特别政策
C. 可冲破阿贝衍射极限,杀青高辞别率打印
D. 打印结构高度不受限制
4、袖珍 4D 打印的应用领域中,以下哪个是诳骗了智能材料对化学刺激的反映?
A. 诳骗光反映 LCE 制作加密代码
B. 基于水凝胶的 pH 反映特点制造微传感器
C. 使用热反映 SMP 杀青时事回首功能
D. 通过近红外驱动的 LCE 复合材料制作微器件
5、袖珍 4D 打印在发展进程中,材料方面濒临的挑战不包括以下哪一项?
A. 部分宏不雅反映的水凝胶难以杀青微打印
B. 微打印的 LCE 在材料配方和加工工艺上需优化
C. 水凝胶看成传感材料时,相通性、富厚性和特异性有待提高
D. 打印时刻的辞别率无法餍足材料打印需求
参考文件:
D. Maher, et al. Beyond 3D: Smart Material Systems for Microscale 4D Printing. Adv. Mater. Technol. 2025迪士尼彩乐园ds07, 2401950.