3D列印：於單一材料中編碼多種特性

有一類稱為液晶彈性體（LCEs）的合成軟性材料，能夠因應熱能而改變形狀，就如同肌肉會根據神經系統發出的訊號進行收縮與放鬆一般。運用3D列印技術處理這些材料，為諸多應用開闢了新途徑，其應用範圍涵蓋軟性機器人、假肢到壓縮紡織品等領域。

要控制這種材料的特性，需要將形成彈性體的墨水擠過3D列印機的噴嘴，這一過程會引發墨水內部結構的變化，並使被稱為介晶體的剛性構件在分子尺度上排列整齊。然而，要在這些形狀可變的材料中實現特定、有針對性的排列以及相應的特性，以往需要經過大量的試錯過程，才能充分最佳化列印條件。但現在情況有所不同了。

在一項新研究中，哈佛大學約翰・A・保爾森工程與應用科學學院（SEAS）、普林斯頓大學、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室以及布魯克黑文國家實驗室的研究人員共同合作，編寫了一本操作指南，旨在每次列印液晶彈性體時，都能實現可預測、可控制的排列，從而獲得所需的特性。

研究人員在列印過程中採用了X射線表徵方法，該方法能夠在微觀尺度上量化介晶體的排列情況，據此建立了一個基礎框架，以指導他們在多個尺度上進行快速設計和製造。透過調整微觀尺度的噴嘴設計、列印速度和溫度，就可以誘匯出所需的分子尺度排列，這種排列在宏觀尺度上會轉化為預定的形狀變化和機械行為。

這項研究成果發表在《美國國家科學院院刊》上，論文的資深作者是哈佛大學SEAS的生物啟發工程學Hansjörg Wyss講席教授珍妮弗・劉易斯（Jennifer Lewis）。劉易斯的實驗室在為新型功能性材料進行3D列印墨水的分子和奈米尺度設計方面擁有數十年的經驗。該研究由哈佛大學前博士後研究員艾米麗・戴維森（Emily Davidson）共同領導，她目前是普林斯頓大學的教職員工，在軟性材料的設計、奈米尺度組裝、X射線表徵和3D列印方面具有專業知識。

液晶彈性體在由液晶部分組成的單個鏈相互排列整齊時，能展現出最佳的形狀變化和機械特性。研究人員透過細小的噴嘴列印這些液晶鏈，從而促使它們因流動而排列整齊。論文第一作者、SEAS研究生、學術合作計劃學者、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室合作夥伴羅德里戈・特列斯（Rodrigo Telles）表示：「當這個專案開始時，我們根本不清楚如何在基於擠出的3D列印過程中精確控制液晶的排列。然而，正是它們的排列程度決定了受熱時不同程度的驅動和收縮。」

為了研究列印過程中分子的排列情況，研究人員使用了不同形狀的噴嘴——錐形和雙曲線形。噴嘴的形狀會影響墨水的流出方式，進而控制分子的排列。透過改變擠出速度和噴嘴形狀，他們能夠製造出兩種型別的長絲：一種是外層分子排列整齊，包圍著排列不佳的核心；另一種則是整體排列均勻。

他們的計算和實驗表明，噴嘴內部的流動型別和速度分佈決定了長絲的型別。儘管有許多因素起作用，但研究人員證明，他們可以將其中大多數因素整合為一個稱為韋森伯格數的單一引數，用來描述不同列印條件下分子的排列情況。

艾米麗・戴維森指出：「在3D列印界，我們大多數人使用的是相對少量的市售列印頭。這項研究讓我們明白，關注噴嘴幾何形狀和流動細節非常重要，而且我們可以利用這些細節來控制材料特性。」

研究團隊與美國能源部布魯克黑文國家實驗室的廣角X射線散射光束線的研究人員合作，在3D列印過程中進行了詳細的X射線測量。這種方法使他們能夠觀察噴嘴內部，視覺化不同噴嘴幾何形狀和流動條件下液晶彈性體的排列情況。X射線測量幫助他們確定了噴嘴內任何給定位置處液晶分子的精確排列程度，為與可調噴嘴設計和列印引數相關的流動誘導排列提供了路線圖。他們的研究結果之一是，雙曲線形狀的噴嘴比傳統噴嘴能產生更好、更均勻的排列。

這項研究成果為製造具有預程式設計形狀變化和力學效能的液晶彈性體結構開闢了新途徑，可用於諸如自適應結構和人造肌肉等應用領域。珍妮弗・劉易斯表示：「透過廣角X射線散射測量，在列印過程中『觀察』液晶彈性體並在微觀尺度上量化它們的排列，首次為其加工 - 結構 - 效能關係提供了一個基礎框架。」