华南理工科学家每天泡实验室，重磅Nature成果上新，3D/4D打印形状记忆仿生材料
2024-04-07 13:48:31
作者： 材料学网 来源： 材料学网
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2024年2月29日，华南理工大学化学与分子工程学院、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心曲大辉教授团队在形状记忆功能聚合物材料研究中取得新进展，相关研究成果发表于《自然·通讯》，这项研究取得了在形状记忆功能聚合物材料领域的新进展。研究团队受到自然界中生物形状记忆现象的启发，致力于开发具有优异形状记忆功能的仿生材料。通过将分子结构的动态性进行跨尺度传递，研究者们构筑了具备优异形状记忆功能的聚合物材料。
形状记忆聚合物: 研究团队以[c2]雏菊链结构作为聚合物网络的动态单元，通过共价交联剂四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯单体与[c2]雏菊链机械互锁组装体的光诱导硫烯点击反应，构筑了一种超分子形状记忆聚合物DCSM。该研究团队以[c2]雏菊链结构作为聚合物网络的动态单元，通过共价交联剂四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯单体与[c2]雏菊链机械互锁组装体的光诱导硫烯点击反应构筑了一种超分子形状记忆聚合物DCSM，其表现出优异的形状固定率（Rf）、形状恢复率（Rr）以及形状记忆抗疲劳特性。通过控制温度可形成多种临时形状，并能够在特定的温度下完全恢复至其永久形状。通过对照实验，作者系统研究了基于二苯并24-冠-8的[c2]雏菊链的机械互锁拓扑结构与形状记忆功能的构效关系，发现该类空间互锁结构有助于提高聚合物玻璃化转变温度，这对熵驱动形状记忆效应至关重要。同时，机械互锁拓扑结构极大地提高了聚合网络的机械性能，并显著增强了材料的形状恢复性能和抗疲劳特性，随着3D打印技术的不断进步和材料科学的创新，未来可能会出现更多结合形状记忆聚合物的3D打印应用。根据前瞻产业研究院的分析，预计到2028年，中国3D打印材料行业规模将突破300亿元人民币。这一预测反映了3D打印材料需求量的快速增长，以及产业增长动力由以3D打印设备为主向设备和材料双驱动转变的趋势。这种材料在未来的科技和工业应用中具有巨大的潜力，形状记忆聚合物材料的研究进展无疑为3D打印领域提供了新的可能性和应用方向。
形状记忆聚合物可以在特定条件下改变形状，这一特性使得它们在定制化产品和功能性设计方面具有巨大潜力。3D打印技术能够精确地制造复杂的形状记忆聚合物结构，从而实现高度定制化的产品设计。
在智能设备和消费品领域，形状记忆聚合物可以用于制造自适应和可重构的结构。例如，可变形的电子产品外壳、自适应穿戴设备等。这些产品可能使用如Stratasys（展位号：8F15）、3D Systems（展位号：8C15）等公司的3D打印机来制造，这些设备通常支持多种聚合物材料，包括一些形状记忆聚合物。3D打印允许对材料的微观结构进行精细控制，这有助于优化形状记忆聚合物的性能。例如，通过调整打印参数，可以改变聚合物的交联密度和网络结构，从而影响其形状记忆效应和机械性能。这非常符合4D打印制造出来的物体在其形状、属性和功能方面均可变化属性。为4D打印提供了更多可能性。
在产品开发阶段，3D打印可以快速制作形状记忆聚合物的原型，便于测试和验证其形状记忆性能。这种快速迭代的能力对于新材料的研发和应用至关重要。在汽车行业，形状记忆聚合物可以用于制造可变形的汽车部件，以提高舒适性和安全性。在工业应用中，这些材料可以用于制造自适应工具和设备，以适应不同的工作环境和条件。这些应用可能涉及到使用工业级的FDM或SLA 3D打印机，如UltiMaker、Raise3D复志科技、远铸智能、闪铸三维、中瑞科技、联泰科技、摩方精密、纵维立方、迅实科技、金石三维、阿奈索、极光创新、创想三维、Phrozen、Formlabs、赛纳三维、必趣科技、起迪、博理科技、锐沣科技、普利生、铼赛智能、超领智能、绿程生物、上海幻嘉等品牌的设备。3D打印技术能够制造传统制造方法难以实现的复杂结构。对于形状记忆聚合物而言，这意味着可以设计和制造具有复杂内部结构的零件，这些结构在激活后能够实现特定的形状变化。形状记忆聚合物可以与电子元件和传感器集成，用于智能设备和机器人技术。3D打印技术可以在打印过程中嵌入电子元件，实现电子与形状记忆聚合物的一体化制造。
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