TU Eindhoven研究人员发表关于液晶4D打印的综述

2021年11月2日，来自埃因霍温科技大学（TU Eindhoven）的研究人员发表了一份最新的关于液晶增材制造领域的全面报告。

液晶是一类表现出传统液体和固体晶体特性的材料。液晶除了作为液晶显示器（LCD）的关键组成部分，还是一种智能材料，在从光反射器和可切换的窗户到太阳能电池板等方面都有着先进的应用。当与3D打印结合使用时，液晶可以在干燥和潮湿的环境中实现可编程、可逆、各向异性的驱动，使其成为具有非常强大的4D能力的"刺激-反应材料"。潜在的增材制造用例清单包括能源生产、传感，甚至是软体机器人。与传统的学术综述不同，埃因霍温大学的论文不仅仅是列出该领域值得注意的研究项目，而且是旨在作为非专业人士的手册。

博士四年级学生、该评论的合著者Jeroen Sol写道："这份报告可以让读者全面了解液晶在增材领域的选择和挑战，同时鼓励已经在液晶或增材制造方面有经验的研究人员进一步了解全文，看看他们如何将增材制造或液晶融入自己的工作。“

△4D打印的液晶软体机器人可以用热、紫外光和其他机制来驱动。图片来自埃因霍温大学。

液晶排列的重要性

这篇报告指出，液晶的分子顺序是影响其各向异性质量的主要因素，并对其对刺激的反应方式有重大影响。因此，在3D打印过程中控制分子排列是至关重要的（特别是对于4D应用），但有几种常见的方法可以做到这一点。

最广泛使用的使液晶中的分子对齐的方法之一是使用化学表面处理。这种方法通常利用一个在顶部和底部表面有排列层的玻璃单元。一旦细胞冷却到液晶阶段，就可以使分子发生相变并以预定的方式完成自发组织。液晶也可以通过在3D打印过程中施加电场或磁场，或利用机械力场（如剪切和伸长）来排列。

4D打印液晶的应用

该文件还继续讨论了4D打印液晶结构的一些更先进的应用，首先是软机器人。在软体机器人中，液晶材料的收缩条被用作人工肌肉。这些人工肌肉通常通过热能、光照或湿度暴露来驱动，并且可以单独进行3D打印，或将其编织在一起以嵌入额外的智能特性。

增材制造的液晶也有可能应用于动态生物医学植入物。虽然它们还没有被批准用于人体植入物，但论文指出，先前的研究表明，这些材料可能具有一定程度的生物相容性。例如，通过像直接墨水书写这样的工艺，有可能打印出一种泌尿系统植入物，当被红外光照射时具有可控制的热收缩（红外光能很好地穿过皮肤）。

最后，液晶也可以通过3D打印用于光子设备，因为它们在光学设备中有着广泛的传统用途。事实上，在埃因霍温大学团队进行的一项单独实验中，就已经开发了一种新型变色液晶墨水，用于微挤压。这种墨水的灵感来自于彩虹色材料，如珠宝甲虫的外表，预计将对装饰性照明甚至增强现实光学产生影响。

△使用彩虹色液晶墨水3D打印的蝴蝶。照片来自埃因霍温科技大学。

更多的话题，如3D打印方法、打印参数细化和液晶驱动方法，可以在题为《‘4D Printing of Liquid Crystals: What’s Right for Me》的论文中找到。

光学设备的3D打印是增材制造中的一个前沿领域。今年早些时候，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员开发了一种3D打印光子晶体纤维（一种特殊类型的光纤）的新方法。该团队为该项目建造了一台专门基于SLA的3D打印机，这款打印机使科学家们能够以从前不可能完成的内部几何形状定制他们的光纤。

在其他地方，来自弗莱堡大学和3D打印机制造商Nanoscribe的科学家最近利用双光子聚合技术，以亚微米的分辨率制造玻璃硅微结构。该团队认为，在未来，他们独特的打印、脱胶和烧结过程可以被用来生产具有潜在生物医学应用的下一代微光学器件。