华中科大：飞秒激光4D打印光控智能响应性器件

智能响应性器件能够自主改动其形态构象以响应各类外部刺激，例如pH、温场、磁场、电场等，在仿生学、药物输送、组织工程、人造肌肉、纳米马达、以及微/纳米传感和驱动等新兴范畴具有庞大的应用潜力。在各类类型的外部刺激响应中，光控响应因为其天然的物理属性而具有许多奇特的优势，例如长途和切确驱动才能、多维光场调控才能（如波长、频次、强度、偏振态、以及能量的时空散布等），是实现各类智能器件应用的不成或缺的体例之一。然而，迄今为行，具有低光场驱动阈值、快速响应才能以及用户可自定义且切确可调的三维转换才能的人造光控智能微纳响应性器件仍然难以实现。

比来，华中科技大学武汉光电国度研究中心熊伟传授率领的微纳极端造造团队提出了一种新型光固化智能质料系统和单步飞秒激光4D打印战略，用于可编程光控智能响应性器件的纳米增材造造，实现了切确的光驱动三维构造变形才能。该4D打印战略次要依赖于两项停顿，包罗单臂碳纳米管（SWNT）掺杂N-异丙基丙烯酰胺复合智能水凝胶质料的开发，以及各项异性机械超质料单位的构造设想和一体化组拆。单壁碳纳米管的平均掺杂同时增加了复合水凝胶交联收集的光吸收系数、热导率和机械模量，有效处理了智能水凝胶的机械模量和响应灵敏度之间的矛盾。此外，设想并组拆由超质料单位构造构成的智能响应性器件，实现了高效率单步飞秒激光4D打印曲写（FsLDW）成形。该单步单参数的飞秒激光曲写办法不只具有肆意复杂三维构造成形才能和超卓的外形保实度，并且还可以实现具有大动态范畴、切确可调的三维构造变形功用（图1）。该飞秒激光4D打印战略为开发先辈的微纳智能响应性器件，及其在生物医学、仿生构造和软机器人中的应用开拓了道路。

图1.单步飞秒激光微纳4D打印办法示企图

研究团队开发并验证了由差别晶胞单位组拆而成的微纳构造在光刺激下的各向异性驱动特征。通过巴基球构造和实心立方体构造的尝试比照可发现，具有特定空间构造的巴基球产生了400 nm至2.4 µm的可变层间距，同时基于飞秒激光曲写过程中的临近效应，巴基球单位产生了刚性外框而内部弱交联凝胶填充的“刚柔并济”的异量构造，那不只表示出比实心立方体愈加优良的外形保实度，同时，巴基球构造在光刺激下还表示出愈加显著的收缩行为（图2）。

图2.“刚柔并济”微纳构造的设想和打印实现，以及在光刺激下的构造变形才能

基于该飞秒激光微纳4D打印战略，研究团队造造出了各类光控智能响应性微纳器件，例如智能微柱纤毛、微型心脏瓣膜和微型爪夹持器等（图*）。此外，熊伟团队还胜利打印出了尺寸仅为80×120×*0 µm*的光驱动仿生心脏，并展现了其在光刺激下的快速外形转换才能和优良的时空可控性。

图*.光控智能响应性微纳器件

该研究功效已于近期颁发在期刊 Advanced Functional Materials，武汉光电国度研究中心博士生邓春三、刘耘呈为论文配合第一做者，熊伟传授为该论文通信做者，研究单元为华中科技大学和湖北光谷尝试室。该研究工做得到了国度重点研发方案、国度天然科学基金、光谷尝试室立异研究项目和武汉-曙光常识立异方案的帮助。

来源：华中科技大学

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