研究背景
四维（4D）打印是一种将时间维度引入三维打印结构中的先进制造技术，能够使3D打印结构在外部环境刺激下改变形状。由于其能够在执行器和结构之间实现无缝集成，4D打印近年来成为了研究热点。然而，当前4D打印所使用的大多数形状记忆聚合物（SMPs）为热固性材料，这些材料在打印后形成了永久性交联网络，导致其只能具有一个永久形状。这一限制大大阻碍了4D打印在需要多次重构和多功能形状的应用中的潜力。为了克服这一挑战，科学家们提出了将共价可调网络（CANs）引入SMPs的方案，通过键交换反应（BERs）来改变分子拓扑结构，使SMPs具备了类似热塑性材料的重新塑形和再加工能力。这些CAN-SMPs不仅保留了热固性材料的高温机械、热和环境耐受性，还通过BERs实现了形状重构。然而，当前的CAN-SMPs存在热机械性能不足的问题，特别是在编程温度下的延展性较低，无法满足实际工程应用中对大形状变化的需求。有鉴于此，南方科技大学葛锜教授团队开发了一种机械强健的CAN-SMPs（MRC-SMPs），以实现可重构的4D打印。这种新型MRC-SMPs系统在以下三个方面表现出色：首先，在编程和重构温度下具有高延展性，断裂应变分别达到1640%和1471%，允许SMP在大变形下多次重新编程和重构；其次，具有高玻璃化转变温度（75°C）和高室温模量（1.06 GPa），能够在室温下固定临时形状并承受重载；最后，前体溶液的低粘度（0.2 Pa·s）和高光反应性（每100μm凝胶化时间为4.5秒）使其与DLP 3D打印高度兼容，能够制造复杂的3D形状记忆结构。相关成果在“Science Advances”期刊上发表了题为“Reconfigurable 4D printing via mechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer”的最新论文。
研究亮点
1. 开发了机械强健的CAN-SMPs（MRC-SMPs）：通过引入共价可调网络（CANs），创造了一种机械强健的形状记忆聚合物，具有高延展性、高Tg和高室温模量。
2. 实现了可重构4D打印：利用MRC-SMPs的特性，实现了3D打印结构的多次形状重构，使得一个打印的SMP结构可以被重新配置为多种永久形状。
3. 高分辨率和复杂性的3D打印：开发了与DLP 3D打印兼容的MRC-SMP系统，实现了高分辨率和复杂性的3D打印，使得制造高度复杂的SMP 3D结构成为可能。
4. 可焊接性的展示：展示了MRC-SMP的优异可焊接性，使得分离的SMP部件在热处理后能够合并为一个完整的结构，为实现复杂SMP结构的组装提供了可能性。
5. 应用广泛且实用：在多个应用领域展示了MRC-SMP的潜在应用，包括可重构SM铰链、可重构SM晶格结构、可编程形状高跟鞋等，为工程应用提供了多种选择。
图文解读
图4. MRC-SMP的可打印性和可重构4D打印。
总结展望
本研究通过解决目前CAN-SMPs的热机械性能不足，提出了一种机械强健的CAN-SMPs（MRC-SMPs），实现了可重构的4D打印技术。这一创新解决了传统SMPs在形状变化过程中的限制，为形状记忆聚合物在工程领域的应用开辟了新的可能性。MRC-SMPs不仅具有高变形性和高温度下的良好性能，还展现了出色的可打印性和焊接性，使得制造复杂的变形结构变得更加简单和可行。这项研究不仅促进了4D打印技术的发展，还为智能材料在航空航天、生物医学和智能机器人等领域的应用提供了新的途径。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
