自由形状駆動のための 3D プリントされた光応答性液晶エラストマー複合材料

出典: 材料科学と工学

液晶エラストマー (LCE) は、本質的に異方性を持つ刺激応答性材料であり、異方性から等方性への転移温度 (TNI) を超えて加熱すると、事前に整列したメソゲンが再配向して大きな異方性変形 (最大 500% のひずみ) が生じる可逆的な作動を提供します。 LCE の機械的応答は LC 媒体の内部配向を制御することによって制御できるため、複雑な形状変形を実現できます。これらは、人工筋肉やソフトロボットなどの潜在的な用途にとって魅力的です。期待される作動応答を実現するには、LCE の配置を正確に設計することが重要です。光配向またはマイクロチャネリングによる表面配向は、LC 分子と配向層の指示面との間の相互作用が限られているため、薄い層 (通常 100 μm 未満) に制限されます。液晶エラストマー (LCE) への直接インク書き込みは、ソフトロボットなどのアプリケーション向けに、さまざまな形状変換モードの幾何学的プログラミングの新たな機会を提供します。現在までに、3D プリントされた LCE のほとんどは熱駆動型でした。

ペンシルバニア大学の学者たちは、わずか 0.1 wt.% の AuNR で 3D プリントされた構造の光熱駆動を可能にする、3D プリント可能な光応答性金ナノロッド (AuNR)/LCE 複合インクを開発しました。結果は、最適な印刷条件下では、印刷されたフレームが優れた光熱応答を示し、1.4 W cm−2（160 °Cに相当）の近赤外（NIR）光（808 nm）を照射したときに27％の作動ひずみを示すことを示しています。 NIR レーザーに照射される領域を制御することで、3D プリントされた複合構造を全体的または局所的にさまざまな形状に加工できます。 3D プリントによって可能になったカスタマイズされたアーキテクチャと局所的な光露出を制御する機能を利用して、ラチェット面を最大速度 0.284 mm s−1 (平面) と 0.216 mm s−1 (30° 面) で登ることができる光応答性ソフトロボットを同時に実証しました。これは、それぞれ 1 分あたり 0.428 体長と 0.324 体長に相当します。関連記事は、「自由形状アクチュエーションのための 3D プリント光応答性液晶エラストマー複合材料」というタイトルで Advanced Functional Materials に掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1002/adfm.202210614

図 1. a) AuNR/LCE インクの DIW 印刷の概略図と AuNR/LCE インクの分子構造。 b) 完全な架橋後の 3D プリント AuNR/LCE の UV-可視スペクトル。 c) AuNR/LCE インクの粘度と異なる温度でのせん断速度の関係。図 2. a) AuNR/LCE インクと完全に架橋された AuNR/LCE フラメンコの DSC 曲線。 b) 印刷速度とノズル径 d が AuNR/LCE 炎管の作動ひずみに与える影響。 c) 異なるノズル径で異なる印刷速度で 3D プリントされた AuNR/LCE 炎の光学画像。 d) AuNR/LCE炎に加えられる駆動ひずみと温度の関係（0.410 mmノズルを使用して5 mm s−1で印刷）。 e、f）3DプリントされたAuNR / LCEフラメンコのWAXRDパターン（e）と方位角（f）。 g) 引張試験中の 3D プリント AuNR/LCE の応力 - ひずみ。図 3. a) 3D プリントされた AuNR/LCE 炎の温度変化と 800 nm での光強度の関係。 b) 800 nm での異なる光強度下での露出時間の関数としての 3D プリント AuNR/LCE 炎体の温度変化。 c) 室温および近赤外光駆動時の二重層構造とその形態の設計。 d) 花に照射される近赤外光を制御することで、花の構造が全体的に（1.4 W cm−2）および局所的に（1.3 W cm−2）駆動されます。図4.a) 平面とラチェット面（ラチェット角度15°、周期4mm）上を歩行するソフトロボットの機構の概略図。 b) 30°傾斜のラチェット面を登るソフトロボットのスナップショット（ラチェット角度15°、周期4 mm）。図5. a) ラチェット面上での傾斜角度と曲げ角度を変えたソフトロボットの速度（ラチェット角度15°、周期4mm）。 b) 異なる傾斜角と異なるラチェット角度でのラチェット表面（周期4mm）上のソフトロボットの速度。 c) 異なる傾斜角度と異なる周期性を持つラチェット表面（ラチェット角度 15°）上のソフトロボットの速度。 d) 本研究の 3D プリント AuNR/LCE と、同様のメカニズムによる他の LCE システムとの間で、ソフトロボットの速度をその体重に対して比較した図。
要約すると、この研究では、3D プリント可能な光応答性 AuNR/LCE 複合インクの開発に成功しました。インクの配合と、ノズルのサイズ、印刷速度、印刷温度などの印刷パラメータを調整することで、3D 印刷された AuNR/LCE ストリップ (AuNR が 0.1 wt.% と低い) で 27% の作動ひずみを達成できることがわかりました。 PEG 修飾 AuNR の優れた分散性と光熱性能により、AuNR/LCE 炎は 1.4 W cm−2 の近赤外光 (808 nm) の照射下で 160 °C に達することができます。高温下での AuNR の潜在的なリモデリングを減らすために、本研究では照射時間を 5 分未満に制御し、温度を 180 °C 未満に制御しました。
この研究では、DIW のカスタマイズ可能な印刷可能な構造と近赤外光による局所的な作動を利用して、花びらが全体的または個別に「開花」できる 3D 印刷された AuNR/LCE 花びらを実証します。

さらに、3D プリントされた二重層ストリップは柔らかいロボット歩行器として機能し、平面では 0.284 mm s−1 (または 0.428 体長/分) の速度でラチェット面を登り、近赤外光源の局所制御下で表面が 30° 傾いているときは 0.216 mm s−1 (または 0.324 体長/分) の速度で登ることができます。この作業により、印刷可能な LCE インクの範囲が拡大します。光の変調により、より多くの変形パターンを生成し、複雑な形状を作成し、動きを誘導することができます。（文：SSC）

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