美國科學家用4D打印發(fā)明新型“超材料”            

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

    在自然界中，蜂窩狀材料在機械上是非常高效的，尤其是在各種不同性能耦合方面。例如，自然界中發(fā)現(xiàn)的一些隨機蜂窩結(jié)構(gòu)，如牙齒、骨骼和鳥喙，相對于它們的密度來說，具有優(yōu)異的強度和韌性。材料學中一些項目，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化而成的周期結(jié)構(gòu)，往往勝過隨機結(jié)構(gòu)。例如，軟體動物的防御甲殼珍珠狀內(nèi)層是由堅硬的磚塊樣結(jié)構(gòu)組成。相應(yīng)地，螳螂蝦進化出了攻擊性的大螯鉤，用來高速撞擊軟體動物的外殼，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)出獨特的機械、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有的，包括輕量卻堅硬、高機械彈性、具有負泊松比，以及具有負熱膨脹系數(shù)的多材料布局。在過去，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)性更強材料的需要，“4D打印”成了材料領(lǐng)域一個新的研究熱點。相較于3D，多出來的那個“D”代表時間。4D打印就是讓材料除了在X、Y、Z軸上輾轉(zhuǎn)騰挪之外，還會因為外部條件的變化，隨時間推移而改變形狀或功能。由于機械力、溫度、膨脹和磁場的作用，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)要么缺乏對機械性能的高度精確控制，要么由于傳輸限制或化學反應(yīng)本身的緩慢，需要很長的反應(yīng)時間。為此，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、阿貢國家實驗室、加州大學的一群材料科學家提出了一種新的4D打印方案——磁場反應(yīng)機械超材料(FRMM)，用來展示可編程、可預(yù)測和高度控制的機械性能變化，且具有大動態(tài)范圍和快速可逆的響應(yīng)，方便應(yīng)用遠程磁場。
為了獲得具有動態(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，在磁場的作用下，MR的粘度會迅速變化。在沒有磁場的情況下，MR流體則表現(xiàn)為懸浮顆粒隨機分布的液體，懸浮顆粒會在平面基底上沉積時自由流動形成池。
當施加磁場時，懸浮顆粒沿磁場線排列成鏈，形成針狀、葉片狀結(jié)構(gòu)。當MR流體中的有序顆粒受到磁場作用，流體粘度單調(diào)增加，直至飽和。此時，進一步加強磁場，并不會產(chǎn)生額外的流變效應(yīng)。

    在提出理論后，研究團隊進行了相當復(fù)雜的測試和驗算，本文就不一一羅列了。簡單說，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)。通過這種技術(shù)，用固化液體樹脂形成固化2D層，再將基片放入樹脂浴中，掃描堆棧中放入后續(xù)圖像形成下一層。這個過程將一直進行，直到生成一個3D部件。
實驗結(jié)果是，研究團隊造出了可調(diào)FRMM，其具有大動態(tài)范圍，對遠程應(yīng)用磁場具有快速和可逆的機械響應(yīng)。同時，通過對單個磁流變桿的制作和測試，他們還開發(fā)了一個經(jīng)驗校準的模型，用來預(yù)測FRMM網(wǎng)格的磁力學響應(yīng)，為未來的設(shè)計優(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，未來的FRMM可能由主動尋址的微流體網(wǎng)絡(luò)組成，其中MR流體組成可以在空間和時間上進行調(diào)整，以進一步擴展設(shè)計和可訪問的屬性空間。此外，磁場調(diào)整可以增強方向控制，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)

            

美國科學家用4D打印發(fā)明新型“超材料”            

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

    在自然界中，蜂窩狀材料在機械上是非常高效的，尤其是在各種不同性能耦合方面。例如，自然界中發(fā)現(xiàn)的一些隨機蜂窩結(jié)構(gòu)，如牙齒、骨骼和鳥喙，相對于它們的密度來說，具有優(yōu)異的強度和韌性。材料學中一些項目，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化而成的周期結(jié)構(gòu)，往往勝過隨機結(jié)構(gòu)。例如，軟體動物的防御甲殼珍珠狀內(nèi)層是由堅硬的磚塊樣結(jié)構(gòu)組成。相應(yīng)地，螳螂蝦進化出了攻擊性的大螯鉤，用來高速撞擊軟體動物的外殼，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)出獨特的機械、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有的，包括輕量卻堅硬、高機械彈性、具有負泊松比，以及具有負熱膨脹系數(shù)的多材料布局。在過去，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)性更強材料的需要，“4D打印”成了材料領(lǐng)域一個新的研究熱點。相較于3D，多出來的那個“D”代表時間。4D打印就是讓材料除了在X、Y、Z軸上輾轉(zhuǎn)騰挪之外，還會因為外部條件的變化，隨時間推移而改變形狀或功能。由于機械力、溫度、膨脹和磁場的作用，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)要么缺乏對機械性能的高度精確控制，要么由于傳輸限制或化學反應(yīng)本身的緩慢，需要很長的反應(yīng)時間。為此，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、阿貢國家實驗室、加州大學的一群材料科學家提出了一種新的4D打印方案——磁場反應(yīng)機械超材料(FRMM)，用來展示可編程、可預(yù)測和高度控制的機械性能變化，且具有大動態(tài)范圍和快速可逆的響應(yīng)，方便應(yīng)用遠程磁場。
為了獲得具有動態(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，在磁場的作用下，MR的粘度會迅速變化。在沒有磁場的情況下，MR流體則表現(xiàn)為懸浮顆粒隨機分布的液體，懸浮顆粒會在平面基底上沉積時自由流動形成池。
當施加磁場時，懸浮顆粒沿磁場線排列成鏈，形成針狀、葉片狀結(jié)構(gòu)。當MR流體中的有序顆粒受到磁場作用，流體粘度單調(diào)增加，直至飽和。此時，進一步加強磁場，并不會產(chǎn)生額外的流變效應(yīng)。

    在提出理論后，研究團隊進行了相當復(fù)雜的測試和驗算，本文就不一一羅列了。簡單說，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)。通過這種技術(shù)，用固化液體樹脂形成固化2D層，再將基片放入樹脂浴中，掃描堆棧中放入后續(xù)圖像形成下一層。這個過程將一直進行，直到生成一個3D部件。
實驗結(jié)果是，研究團隊造出了可調(diào)FRMM，其具有大動態(tài)范圍，對遠程應(yīng)用磁場具有快速和可逆的機械響應(yīng)。同時，通過對單個磁流變桿的制作和測試，他們還開發(fā)了一個經(jīng)驗校準的模型，用來預(yù)測FRMM網(wǎng)格的磁力學響應(yīng)，為未來的設(shè)計優(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，未來的FRMM可能由主動尋址的微流體網(wǎng)絡(luò)組成，其中MR流體組成可以在空間和時間上進行調(diào)整，以進一步擴展設(shè)計和可訪問的屬性空間。此外，磁場調(diào)整可以增強方向控制，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)