喜大普奔：研究人員獲得4D列印材料！

研究人員列印他們的硅樣品就和直接用墨水的書寫的過程相似。這種複合油墨材料是在室溫下從印表機噴嘴擠壓而成的，形成具有可控的孔隙度和柴堆結構。

來源：勞倫斯利物莫國家實驗室

【據phys網站9月14日報道】勞倫斯利物莫國家實驗室(LINL)的研究人員第一次成功的製造出3D列印複合硅膠材料，這種材料很靈活，並且具有形狀記憶性能，這個發現可以用來創建適應身體熱量來激活的襯墊，如頭盔或者鞋。

正如他們在網上發報表的科學報告中所描述的，通過在硅墨水中加入空心的、充氣的「微型氣球」，研究人員對材料進行了設計，使其能夠在高溫下被壓縮或者「編程」，冷卻時留在這個狀態。當再次加熱時，微氣球中的氣體會膨脹，導致結構回到原來的形狀。當與3D列印結合使用時，這種形狀記憶行為通常被稱為「4D列印」，第四個維度就是時間。

論文的主要作者LLNL研究員說道：「令人印象深刻的是，這些結構在重新加熱後可以恢復其形狀。我們沒有看到一個扭曲的結構，反而看到了一個完全恢復了的結構。由於有機硅網路是完全交聯的，它將部分結合在一起，因此結構是可以預知、可以重複的恢復其原始形狀。」

在偶然的一次意外中，研究人員無意中發現了這些材料，同時試圖設計出一種分離的多孔材料，在加熱的時候會完全恢復，展示所謂的零壓縮態。然而，他們得到了相反的結果。LLNL的研究人員Ward Small和主要的合作研究員Thomas Wilson想知道如果他們重新加熱結構將會發生什麼，他們認為被困在材料中的氣體可能會導致盲目擴展。事實證明他們的猜想是正確的。

Small說道：「最初，這是一個加速老化的測試，看看材料是否有用，這種材料具有一個非常大的壓縮態，這使得我們懷疑它是否具有永久性。我們並不是很激動，但是我們曾經嘗試過其是否具有形狀效應，並且試圖看看它是否可以恢復原狀。我們做了這個實驗，而且也確實恢復了原狀。」

形狀記憶行為的關鍵是嵌入硅膠墨水中的聚合物微球。微球中的薄聚合物殼具有玻璃轉變溫度；在該溫度以下，殼體剛性大呈玻璃狀，高於該溫度，殼體變軟和有韌性。因此，通過將複合材料加熱到殼體玻璃化轉變溫度以上，球體的聚合物殼體變軟，允許它們被壓縮並且以保持變形的方式改變它們的形狀並且在冷卻時抵抗硅基體的再膨脹。當再加熱時，氣囊膨脹，並且加熱的氣體和硅樹脂的恢復力使得結構能夠恢復其原始輪廓。

LLNL的研究員Taylor Bryson負責具體的實驗，混合可以併入氣球但是不會堵塞3D列印噴嘴的石墨，並對列印的樣品進行加熱和壓縮並冷卻至設定形狀，然後重新加熱以擴展它們。

通過在硅基油墨中添加空心氣體填充的「微氣球」，研究人員設計了硅樹脂材料，以便在高溫下進行壓縮或「編程」，並保持冷卻狀態。當再加熱時，微氣囊中的氣體膨脹，導致結構回到原來的形狀。

來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

Bryson說：「我們會把它們加熱，讓它們在有壓力的情況下冷卻，測試他們的厚度來確定壓縮比。然後為了查看它們是否會重新擴展，我們會重新加熱，在沒有壓力、相同的溫度下把它們放回烤箱，然後將溫度再升高一點，看看它們是否會恢復形狀。令人驚奇的是，我們觀察到了它們將近100%的恢復了原狀。」

研究人員用直接墨水書寫的方法來列印他們的樣品，在室溫下從印表機的噴嘴中擠出複合油墨材料，形成具有控制孔隙度和結構的柴堆結構。研究人員說，通過3D列印材料，它變得更加輕巧和功能化，並能對其整體的3維幾何結構組合進行更大的控制。

研究人員表示，他們方法的獨特之處在於形狀記憶器件被設計到了材料中，因此微型氣球可以被用來將形狀記憶體集成到任何聚合物基體材料中去，如彈性材料。

項目組成員Eric Duoss說：「歷史上，形狀記憶聚合物往往是非常僵硬的，材料科學家「通過將微氣球加入到橡膠基體中，我們創造了一種柔軟且富有彈性的複合材料，即使在微氣球的玻璃轉化溫度之下，它也是一種形狀記憶材料，具有史無前例的品質。結果是非常偶然的。」

實驗室的研究人員已經就該材料提交了專利申請。因為它可以將材料3D列印為一個任意的網狀形狀，並製成一個具有開放和封閉特性的高孔隙結構。研究人員說，這可能是有用的熱激活緩衝，是高度可調諧和可定製的。例如，通過將微氣球玻璃的轉變溫度調低於體溫，可以將材料壓縮在熱和冷的溫度下，然後再較冷的溫度下儲存。當佩戴時，它會膨脹來適應頭部或者腳。在玻璃化轉變溫度略高於體溫的情況下，穿戴者可以使用烤箱或者熱水將材料加熱，然後再次裝入，這個過程類似於口腔保護裝置的形成過程。

Duoss說：「你可以用它來做任何定製的機械吸能材料。方便的是如果佩戴者身體長大一點點，並且希望重新改裝材料，它們只是被加熱，然後擴大、重塑它，讓它再次冷卻以達到合適的尺寸，而且這個過程是可逆的。這是一種全新的材料，我們對此很興奮。這是一個應該有很多商業應用潛力的材料，成熟後的技術應該轉給工業界。」

Wu評價道：這一過程可以擴大規模，以生產更大的零件包裝材料和運輸應用。此外，材料不一定需要3D列印。微氣球可以被納入任何類型的基底材料和模壓或鍛造，但是這一過程所生產的材料可能不像3D列印材料具有相同的壓縮性。

文章來自phys，原文題目為 Researchers achieve 4-D printed material，由材料科技在線匯總整理。

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