USTCの先端材料：新しい強磁性液晶エラストマーのプログラム可能な3Dプリントにおける重要な進歩

出典: 高分子科学の最前線

スマート材料は、外部刺激を受けて、事前にプログラムされたパターンに従って変形することができます。ロボット工学、ウェアラブル電子機器、バイオメディカルなどの分野で幅広い応用可能性を秘めており、多刺激応答、マルチモード、多機能の方向に発展しています。近年、3Dプリント技術の発達により、スマートマテリアルの自由なプログラミングが可能になりました。ただし、現在のプログラム可能な 3D プリンティングは、主に単一の機能ドメインを持つスマートマテリアル (液晶エラストマーなど) を対象としています。強磁性液晶エラストマー (magLCE) に代表される多刺激応答性材料の場合、2 つの機能ドメインを独立してプログラムできる 3D 印刷方法が不足しています。

上記の問題に対処するため、中国科学技術大学工学部の張世武教授が率いるロボット工学・知能設備研究所の李牧軍准教授の研究グループは、現代機械学部の王劉教授、南方科技大学の劉季准教授と共同で、magLCE向けの二重異方性プログラム可能3Dプリント方法を提案した。押し出し印刷プロセス中に外部磁場と印刷速度を調節することで、液晶の配向と磁化強度の独立したプログラミング、およびさまざまな外部磁場刺激（熱、光、磁気）下でのワークピースの制御可能なマルチモード変形に成功しました（図1）。この論文は、「プログラムされた二重異方性と多重応答性を備えた 3D プリント強磁性液晶エラストマー」というタイトルで、2023 年 7 月 14 日に Advanced Materials に掲載されることが承認されました。

図 1 magLCE のプログラム可能な双異方性 3D プリントとそのマルチモード変形まず、magLCE の材料設計により、紫外線下での急速硬化が実現され、プログラムされた局所性が確保されます。印刷工程中に磁場と印刷速度を制御することで、磁化の強さと液晶配向の方向と大きさを独立して調整できます。結果は、magLCE は加熱され変形されても磁気的に変形する能力を持ち、現在の 3D プリントされたスマート材料の中で最も高いエネルギー密度と応答速度を示すことを示しています。

図 2 液晶の配向と磁化のプログラミング図 3 magLCE の特性さまざまなプログラミングモードでの magLCE の変形を予測するために、magLCE デバイスの設計用にマルチフィジックス有限要素モデルが確立されました。その後、本研究では、異なる外部磁場シーケンス下での magLCE の一連のマルチモード変形を実証し、液晶エラストマーマトリックスの変形温度を調節することで連続変形も実現しました。さらにリボンロボットを設計・製作した。ロボットは磁場と温度場によって駆動され、さまざまな地形、温度、磁場環境で移動でき、強力な環境適応性を発揮します。

図 4 双異方性 magLCE のマルチモード変形図 5 マルチ変形能力と環境適応性を備えた 3D プリント magLCE ストリップロボットこの研究では、magLCE に基づくマルチ安定性の機械的メタマテリアルも実証されました。メタマテリアルには「ソフト」部分と「ハード」部分の 2 つの部分があり、そのうち「ハード」部分を magLCE で回転させてメタマテリアルの状態を切り替えることができます。 magLCE の多刺激応答と多モード変形により、メタマテリアルの状態を近赤外光と磁場によって遠隔的に切り替えることができ、メタマテリアルの調整可能な機械的応答を実現します。この研究の結果は、物理場支援型3Dプリンティングにより、magLCEに代表される多機能ドメイン材料の製造およびプログラミング機能が大幅に拡大し、さまざまな外部場刺激下で制御可能なマルチモーダル応答を実現できることを示しており、ソフトロボティクス、フレキシブルエレクトロニクス、メタマテリアルなどの分野の発展を促進することになる。

図 6 MagLCE に基づく多安定機械メタマテリアル上記の研究は、中国国家自然科学基金、科学技術部の国家重点研究開発計画、および安徽省自然科学基金によって支援されました。中国科学技術大学精密機械・精密機器学部の孫玉軒博士が論文の第一著者であり、中国科学技術大学の李牧軍准教授、王劉特別教授、張世武教授、南方科技大学の劉季准教授が共同著者である。論文の著者には中国科学技術大学の彭晨輝特別教授も含まれている。

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