供稿人:關志強，連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2021-04-29
4D打印將3D打印的設計靈活性與其組成材料的刺激響應特性結合在一起。在軟性機器人、藥物輸送等領域展現出了極大的應用空間。目前4D打印方法如直接墨水書寫、數字光處理光刻等打印的最小特征尺寸在10μm左右。在與光強烈的相互作用的亞微米級，尚未系統(tǒng)地探索4D打印。由于納米結構的光學響應可以通過改變其結構尺寸來調整，因此通過形狀記憶聚合物(SMP)調整光學器件結構尺寸成為動態(tài)重構顏色的新趨勢。
新加坡科技設計大學的Joel K.W. Yang團隊開發(fā)了一種基于Vero Clear的適用于雙光子聚合光刻的新型SMP光致抗蝕劑。設計并且打印了如圖1所示3D結構，包括一個底層，底層上有亞微米級的網格。由于這些結構與光的相互作用（散射和干擾），可以起到濾色器的作用。通過在SMP中打印，實現了4D效應，用溫度來改變其幾何形狀和光學特性。
圖1. SMP 3D打印"隱形墨水"納米結構元件的顏色和形狀變化示意圖
為了實現形狀記憶效應，首先在高于SMP玻璃化轉變溫度的溫度下使打印結構變形。在保持外部負載的同時，隨著印刷品從軟橡膠態(tài)轉變?yōu)橛膊ＡB(tài)，溫度降低至 Tl( < Tg)。此時，打印結構失去了它的顏色。由于聚合物鏈在其玻璃態(tài)被“凍結”，在釋放外部載荷后，在Tl處實現臨時構型。當加熱到聚合物鏈恢復熵彈性的溫度時，納米結構從平坦(無色)狀態(tài)恢復到直立(彩色)狀態(tài)，實現了大而快速的視覺響應。
研究人員展示了SMP的亞微米級4D打印的概念，通過定制光致抗蝕劑的雙光子聚合光刻實現了多色不可見油墨的效果。圖2顯示了網格結構中結構參數的改變對顏色的影響，并發(fā)現了網格高度和網格線寬。而且和這兩個參數可以通過控制寫入速度、激光功率等來輕松改變。即通過輕松地改變打印參數，例如激光功率、寫入速度等，從而獲得網格的不同顏色，為光學和傳感器等高精度要求領域的潛在應用開辟了道路。
圖2. 打印結構的光學和掃描電子顯微照片