美國科學家用4D列印發明新型「超材料」

（圖片來源於網路）

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，自然界中發現的一些隨機蜂窩結構，如牙齒、骨骼和鳥喙，相對於它們的密度來說，具有優異的強度和韌性。材料學中一些項目，就是模仿這類結構，例如結構和功能相似的聚合物或金屬泡沫。

相較而言，有序的蜂窩結構，包括在自然界自然進化而成的周期結構，往往勝過隨機結構。例如，軟體動物的防禦甲殼珍珠狀內層是由堅硬的磚塊樣結構組成。相應地，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。

周期性和層次性結構已經被廣泛用於大型建築中，如桁架橋和埃菲爾鐵塔。現在，新型製造和3D列印技術還可以在納米、微、中、宏觀層次上建造蜂窩結構，通常，這些材料都能表現出獨特的機械、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，以及具有負熱膨脹係數的多材料布局。在過去，這些材料和建築往往在生成後很快固定成型，這限制了他們的用處。

出於製造反應更靈敏、適應性更強材料的需要，「4D列印」成了材料領域一個新的研究熱點。相較於3D，多出來的那個「D」代表時間。4D列印就是讓材料除了在X、Y、Z軸上輾轉騰挪之外，還會因為外部條件的變化，隨時間推移而改變形狀或功能。由於機械力、溫度、膨脹和磁場的作用，4D列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，現有的4D列印技術要麼缺乏對機械性能的高度精確控制，要麼由於傳輸限制或化學反應本身的緩慢，需要很長的反應時間。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列印方案——磁場反應機械超材料(FRMM)，用來展示可編程、可預測和高度控制的機械性能變化，且具有大動態範圍和快速可逆的響應，方便應用遠程磁場。

為了獲得具有動態可調剛度的FRMM，研究人員將磁流變流體懸浮液(MR)引入三維列印聚合物管的核心，也就是蜂窩單元和晶格的構建模塊。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、葉片狀結構。當MR流體中的有序顆粒受到磁場作用，流體粘度單調增加，直至飽和。此時，進一步加強磁場，並不會產生額外的流變效應。

在提出理論後，研究團隊進行了相當複雜的測試和驗算，本文就不一一羅列了。簡單說，要製造這種包括支柱、蜂窩單元和晶格的3D結構，要用到一種光化學掃描紫外線添加劑製造技術，名為大投影面積微立體光刻技術(LAPμSL)。通過這種技術，用固化液體樹脂形成固化2D層，再將基片放入樹脂浴中，掃描堆棧中放入後續圖像形成下一層。這個過程將一直進行，直到生成一個3D部件。

實驗結果是，研究團隊造出了可調FRMM，其具有大動態範圍，對遠程應用磁場具有快速和可逆的機械響應。同時，通過對單個磁流變桿的製作和測試，他們還開發了一個經驗校準的模型，用來預測FRMM網格的磁力學響應，為未來的設計優化工作提供支持。

此外，他們還創造了一種以3D列印技術和可控流體輸送方法為基礎的新製作流程，未來的FRMM可能由主動定址的微流體網路組成，其中MR流體組成可以在空間和時間上進行調整，以進一步擴展設計和可訪問的屬性空間。此外，磁場調整可以增強方向控制，適用於更廣泛的變形模式和應用環境。最終，FRMM可能被廣泛應用於一系列新興應用，包括軟體機器人、快速適應頭盔和具有消振性能的智能可穿戴設備。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！