哈工大冷劲松院士团队《Matter》: 4D打印可编程超材料分形与可调节的疏水性能研究

利用有机导电材料、有机半导体和储能材料的可拉伸性能开发柔性电子器件是实现电子器件延展性和柔性的主要策略之一。然而由于有机导体的电子迁移率较低，其制备的电子器件的性能将大大受限。通过力学结构设计和新材料的应用实现兼备可变形和高性能两大优点的可延展柔性结构及电子器件在柔性显示、电子皮肤、软体机器人等领域具有广阔的应用前景。

针对以上问题，哈尔滨工业大学冷劲松院士课题组近日在《 Matter》上发表题为“ 4D Printed Programmable Soft Network with Fractal Design and Adjustable Hydrophobic Performance”的文章。

首先受分形几何概念启发，将含多级微结构的弯曲韧带引入超材料中并结合4D打印技术，制备了具有力学性能（非线性应力-应变行为、泊松比）可调节、可编程和可重构的拉胀力学超材料。超材料的微结构由两条相同圆弧状组成，具备旋转对称特性（如图1 A, B所示），含二级结构的微韧带是通过将2 n（ n=1, 2, 4, 6）个一级结构等比缩小并按照一级结构几何形状（如图 1 D中橙色虚线所示）首尾相连构成。三级微韧带以同样的构造原理构造(如图 1 E所示）。最终，将具有多级微结构的微韧带组装成手性超材料单元（如图1 F-I所示）。通过建立几何参数（ ω/ l, n, N, t/ l,和 θ）与宏观力学性能之间的关系，揭示了超材料非线性力学行为的机理，实现了通过几何参数对超材料非线性力学行为的调控和超材料力学行为的重编程和可重构性。

图1结合分形几何概念的多级拉胀超材料设计

随后，将受荷叶表面超疏水微结构启发的含柱状微结构表面的电极膜与4D打印分形超材料骨架集成为多层结构的柔性形状记忆可重构电容式压力传感器（如图2所示）。其具备力学性能和电学性能可重构性的同时实现了高灵敏度以及对检测位点的高顺应性。经实验证实，相比平面电极其信噪比( SNR)和灵敏度( S)分别实现了≈10倍和≈4倍的提升（如图3所示）。突破了柔性传感器性能在制造后不能随环境变化或功能需求调节的局限。为适应被检测组织、皮肤和器官的力学性能的多样性需求，提供了解决方案，在植入式医疗设备、可穿戴电子设备、人机交互、软机器人等领域有良好的科研价值和广阔的应用前景。

图2 层状柔性形状记忆传感器的结构及形状记忆循环示意图

图3 超材料在医疗器械和柔性电子中的应用

论文的第一作者和共同第一作者为哈尔滨工业大学博士生李楠和助理教授赵伟，哈尔滨工业大学冷劲松教授和刘立武教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的大力支持。

冷劲松院士团队长期从事于智能结构力学及其应用研究。在航天领域，研制了基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、桁架、重力梯度杆、天线、太阳能电池、离轨帆、锁紧释放机构等智能结构 (Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; AIAA J., 2021, 59, 2200-2213; Compos. Struct., 2022, 290, 115513; Compos. Struct., 2020, 232, 111561; Compos. Struct., 2019, 223, 110936.)，可应用于各种卫星平台、空间站、探月工程、深空探测工程等。设计制备了构型、力学性能可调节、可重构的拉胀力学超材料和像素力学超材料 (Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物领域，基于形状记忆聚合物等智能材料开发了多种智能生物支架和人工假体 (Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577; Compos. Sci. Technol. 2019, 184,107866; Compos. Sci. Technol. 2021, 203, 108563; Compos. Sci. Technol. 2022, 209, 109671; Adv. Healthc. Mater. 2022, 22019975; Compos. Part A-Appl. S., 2019, 125, 105571; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569; Adv. Healthc. Mater. 2022, 22019975; Appl. Mech. Rev. 2023, 75(2): 020802)。冷劲松院士团队自主设计并研制的基于形状记忆聚合物的中国国旗锁紧展开机构，于2021年5月在天问一号上成功展开，使我国成为世界上首个将基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构应用于深空探测工程的国家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008. )。

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论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.12.010

来源：高分子科学前沿

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