研究背景
四維（4D）打印是一種將時間維度引入三維打印結構中的先進制造技術，能夠使3D打印結構在外部環境刺激下改變形狀。由于其能夠在執行器和結構之間實現無縫集成，4D打印近年來成為了研究熱點。然而，當前4D打印所使用的大多數形狀記憶聚合物（SMPs）為熱固性材料，這些材料在打印后形成了永久性交聯網絡，導致其只能具有一個永久形狀。這一限制大大阻礙了4D打印在需要多次重構和多功能形狀的應用中的潛力。為了克服這一挑戰，科學家們提出了將共價可調網絡（CANs）引入SMPs的方案，通過鍵交換反應（BERs）來改變分子拓撲結構，使SMPs具備了類似熱塑性材料的重新塑形和再加工能力。這些CAN-SMPs不僅保留了熱固性材料的高溫機械、熱和環境耐受性，還通過BERs實現了形狀重構。然而，當前的CAN-SMPs存在熱機械性能不足的問題，特別是在編程溫度下的延展性較低，無法滿足實際工程應用中對大形狀變化的需求。有鑒于此，南方科技大學葛锜教授團隊開發了一種機械強健的CAN-SMPs（MRC-SMPs），以實現可重構的4D打印。這種新型MRC-SMPs系統在以下三個方面表現出色：首先，在編程和重構溫度下具有高延展性，斷裂應變分別達到1640%和1471%，允許SMP在大變形下多次重新編程和重構；其次，具有高玻璃化轉變溫度（75°C）和高室溫模量（1.06 GPa），能夠在室溫下固定臨時形狀并承受重載；最后，前體溶液的低粘度（0.2 Pa·s）和高光反應性（每100μm凝膠化時間為4.5秒）使其與DLP 3D打印高度兼容，能夠制造復雜的3D形狀記憶結構。相關成果在“Science Advances”期刊上發表了題為“Reconfigurable 4D printing via mechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer”的最新論文。
研究亮點
1. 開發了機械強健的CAN-SMPs（MRC-SMPs）：通過引入共價可調網絡（CANs），創造了一種機械強健的形狀記憶聚合物，具有高延展性、高Tg和高室溫模量。
2. 實現了可重構4D打印：利用MRC-SMPs的特性，實現了3D打印結構的多次形狀重構，使得一個打印的SMP結構可以被重新配置為多種永久形狀。
3. 高分辨率和復雜性的3D打印：開發了與DLP 3D打印兼容的MRC-SMP系統，實現了高分辨率和復雜性的3D打印，使得制造高度復雜的SMP 3D結構成為可能。
4. 可焊接性的展示：展示了MRC-SMP的優異可焊接性，使得分離的SMP部件在熱處理后能夠合并為一個完整的結構，為實現復雜SMP結構的組裝提供了可能性。
5. 應用廣泛且實用：在多個應用領域展示了MRC-SMP的潛在應用，包括可重構SM鉸鏈、可重構SM晶格結構、可編程形狀高跟鞋等，為工程應用提供了多種選擇。
圖文解讀
圖4. MRC-SMP的可打印性和可重構4D打印。
總結展望
本研究通過解決目前CAN-SMPs的熱機械性能不足，提出了一種機械強健的CAN-SMPs（MRC-SMPs），實現了可重構的4D打印技術。這一創新解決了傳統SMPs在形狀變化過程中的限制，為形狀記憶聚合物在工程領域的應用開辟了新的可能性。MRC-SMPs不僅具有高變形性和高溫度下的良好性能，還展現了出色的可打印性和焊接性，使得制造復雜的變形結構變得更加簡單和可行。這項研究不僅促進了4D打印技術的發展，還為智能材料在航空航天、生物醫學和智能機器人等領域的應用提供了新的途徑。Honggeng Li et al. ,Reconfigurable 4D printing via mechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer.Sci. Adv.10,eadl4387(2024).DOI:10.1126/sciadv.adl4387
