日期：2025-07-11 06:17:03
近日，中国科学技术大学李木军教授和合作者提出一种复合冷场 3D 打印策略，在近环境温度响应型液晶弹性体（NAT-LCEs，Liquid crystal elastomers with near-ambient temperature-responsiveness）的制造与功能调控方面取得了以下核心成果与发现。
图 | 李木军（来源：李木军）
第一，他们实现了高取向度 NAT-LCEs 的 3D 打印技术突破，开发了低温喷嘴与冷却平台协同温控系统，让低温针头通过剪切应力增强挤出过程中液晶基元的取向排列。同时，他们让冷却打印平台维持低温环境，实现取向的快速锁定并抑制紫外固化放热对基元的取向有序性的破坏。另外，他们实现了向列有序性的显著提升，采用广角 X 射线散射（WAXS，Wide-Angle X-Ray Scattering）测定有序参数（S）达 0.406，较传统室温 3D 打印（S=0.013）提升 3000%。
第二，他们实现了自发 3D 形变与双向可编程驱动。利用打印过程中 NAT-LCEs 的相变温度的偏移现象，让打印的 2D 平面结构在脱离平台后，自发形变为预设的 3D 结构。进一步地，他们通过环境温度调控实现了双向可逆形变。
第三，他们实现了梯度材料与功能器件的创新。通过调控针头与平台温度，他们实现了 NAT-LCEs 的梯度性能设计，在单一构件中集成了多区域差异化取向，支持复杂形变模式。同时，他们开发了基于 3D 打印 NAT-LCEs 的生物兼容可穿戴器件，经过优化设计的腕带系统可自动贴合人体皮肤，通过温度响应形变增强心率信号监测精准度，验证了其在医疗监测与自适应穿戴设备中的应用潜力。
总结来说，本次研究不仅突破了兼顾 NAT-LCEs 高取向度与复杂 3D 结构的制造难题，还揭示了相变温度动态调控驱动自发形变的机制，为智能材料在软体机器人、生物医疗等领域的应用开辟了新途径。
据介绍，本研究针对 NAT-LCEs 在制造兼具可编程结构与高取向度性能的关键瓶颈展开。其背景与动机可归纳为以下三点：
首先，解决应用需求与材料特性矛盾。NAT-LCEs 因其近环境温度的相变特性，在生物兼容设备、低功耗软体机器人等领域潜力显著。然而，传统 LCEs 的相变温度需高能量输入且存在生物安全隐患，限制了其实际应用。尽管近年研究工作通过化学改性已将 TNI 降至近环境温度，但如何同时实现高取向度与复杂 3D 结构的制造仍是核心挑战。
其次，解决现有制造技术的“双维度局限”。模塑法虽能调控液晶基元排列，但仅能生成简单单轴/旋转取向的 2D 结构，无法构建 3D 复杂形状。直写 3D 打印（DIW，Direct Ink Writing）虽可通过挤出路径编程液晶基元排列，但常温打印时墨水黏度低、剪切应力不足，导致取向度极低，且紫外固化过程放热会破坏基元有序性。
再次，挖掘相变温度动态调控的未开发潜力。现有研究观察到低聚物墨水固化前后 TNI 存在 5-35℃的差异，但未利用此特性实现打印过程中的自发 3D 形变。此外，由于室温在 NAT-LCEs 的温度响应区间内，使之具备双向形变潜力，但传统高转变温度 LCEs 无法体现这一特性。
研究中，他们所面临的问题是：如何通过工艺创新在 3D 打印中同步实现液晶基元高取向与复杂结构？以及能否利用 NAT-LCEs 的相变温度偏移特性和近室温特点，开发自发形变与双向驱动功能？
为此，他们采用液体冷却系统，确保墨水挤出时处于向列相，通过剪切应力诱导液晶基元沿流动方向排列，并利用半导体制冷快速锁定取向，避免紫外固化放热破坏介晶有序性。通过此，他们实现了双温区协同控制的 DIW 3D 打印机，实现打印过程温度梯度场（5–25℃）的精确调控。
同时，他们通过迈克尔加成反应合成了低聚物墨水，混合了液晶单体、链延伸剂以及光引发剂。另外，他们还优化单体比例，将墨水相变温度降至 15.6℃，确保其在近室温下响应。
然后，他们通过流变实验验证剪切稀化效应确定可打印性，研究低温对 NAT-LCE 墨水剪切取向增强的影响。其发现，打印过程中墨水固化引发相变温度从 15.6℃ 升至 45℃，这样一来打印的 2D 平面结构在脱离平台之后，会自发形变为预设的 3D 结构。
此外，他们还利用相变温度响应区间涵盖室温的特性，实现 NAT-LCEs 在升温与降温时的双向驱动。并通过调节针头与平台温度，在单一构件中集成多区域差异化取向。
接着，他们开发了基于 3D 打印 NAT-LCEs 的自适应心率监测腕带，利用材料近体温响应特性，腕带可以在需要时自动加热收缩，并能增强信号采集精准度。总的来说，这项研究推动了 NAT-LCEs 在软体机器人、生物医疗等领域的应用从实验室向产业化迈进。
日前，相关论文以《近环境响应性液晶弹性体的 3D 打印，其具有增强的向列相秩序和多态转变特性》（3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation）为题发在 ACS Nano[1]，中国科学技术大学硕士生李东晓、孙宇轩博士为论文共同第一作者，中国科学技术大学李木军教授、张世武教授和孙宇轩博士担任共同通讯作者 [1]。
图 | 相关论文（来源：ACS Nano）
参考资料：
1.Li, D., Sun, Y., Li, X., Li, X., Zhu, Z., Sun, B., ...Li, M. (2025). 3D printing of near-ambient responsive liquid crystal elastomers with enhanced nematic order and pluralized transformation. ACS Nano, 19(7), 7075-7087.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c15521
排版：刘雅坤、何晨龙
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