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工学院方岱宁课题组在高分子自折纸方面取得进展

2017-05-11  1783


北京大学工学院方岱宁课题组与美国佐治亚理工学院H. Jerry Qi课题组合作,在高分子材料自折纸方面取得最新进展。相关研究成果于4月28日在线发表于Science Advances (Zhao, Z., Wu, J., Mu, X., Chen, H., Qi, H.J. and Fang, D., 2017. Origami by frontal photopolymerization. Science Advances, 3(4), p.e1602326.)。

近年来,通过功能材料及特定激励诱导结构产生自发变形的自折纸技术吸引了越来越多的研究兴趣。自折纸结构以其优异的力学性质和广泛的结构适应性,在可穿戴电子器件、软机器人、生物医学以及力学超材料等领域展示出广阔的前景。目前的自折纸技术大多依赖于复杂结构设计、特定材料体系或者冗余的制备工艺,这些因素极大限制了其实际应用。


图1. 正面光聚合制备的自折纸结构

方岱宁课题组在研究中发现,利用高分子光聚合时的体积收缩效应,无需引入特殊材料或额外激励,就可以实现自发折纸过程。对于复合材料制备和传统3D打印,高分子的体积收缩会诱发形状畸变,往往被认为是有害的,而该团队的研究则起步于一个不同的角度。在正面光聚合(Frontal photopolymerization)过程中,高分子从接受光照的一侧连续固化并逐渐增加厚度,由于体积收缩效应,固化的材料中产生了非均匀残余应力场,最先固化的材料中存在压缩残余应力,而后续固化的材料存在拉伸残余应力,驱使高分子膜沿着光路向后续固化的方向发生弯曲变形。该团队通过理论预测和实验验证发现,改变正面光聚合的入射光强和光照时间,高分子膜弯曲的曲率可以被定量调控。基于这个思路,将可以产生非均匀光强分布的灰度图像投影到一层液体单体上,强光下固化的高分子层不会弯曲,弱光下的高分子层则呈现较大的弯曲变形,从而制备出复杂的三维折纸结构,包括多面体胶囊、花瓣以及纸鹤等。这项技术为自折纸研究提供了一个新的方向,即调控材料固有的内应力。该课题还在自折纸领域进行了一些其他方向的探索,如溶剂诱导的可逆自折纸技术(Zhao, Z., Wu, J., Mu, X., Chen, H., Qi, H.J. and Fang, D., 2016. Desolvation Induced Origami of Photocurable Polymers by Digit Light Processing. Macromolecular Rapid Communications.)。


图2. (A)正面光聚合自弯曲原理示意图。(B)正面光聚合自弯曲实验与理论预测。(C)光固化高分子膜中残余内应力的建立。

以上论文第一作者为工学院博士生赵则昂,通讯作者为方岱宁院士和佐治亚理工学院的H. Jerry Qi教授。该研究得到国家留学基金委及美国自然科学基金的支持。

论文链接:

http://advances.sciencemag.org/content/3/4/e1602326

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/marc.201600625/full