[論文レビュー] Printing Mosaics of Magnetically Programmed Liquid Crystal Directors for Reversibly Morphing Soft Matter

Yueping Wang, Jongwon An+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2024

Advanced Materials and Mechanics被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、磁場によって製造中に配向できるデジタルライトプロジェクション（DLP）印刷アプローチを用いて、液晶エラストマー（LCE）の印刷構造における可逆的熱駆動とプログラム可能な LC ディレクターモザイクを実現します。

ABSTRACT

Liquid crystal elastomer (LCE) has been intensively utilized in 4D printing techniques to fabricate smart structures with reversible actuation on the basis of appropriate alignment of liquid crystal (LC) molecules. As a non-contact alignment strategy with a controllability of orientation, magnetic-field alignment has been rarely adapted in 4D printing of LCE because of its poor printing efficiency and demand on large field strength. Here, we report a digital light projection (DLP) system integrated with reorientable magnetic field to facilely print smart LCE structures. We propose a new LCE precursor solution that maintains a liquid crystalline nematic phase and an adequate flowability at room temperature. The resin prior to photopolymerization can be sufficiently aligned by a magnetic field with a strength of 500 mT in seconds without temperature elevating or cycling. Consequential printed structures are capable of presenting an impressive reversible thermal actuation of more than 30 %. The local and arbitrary magnetic-field alignment in layers during DLP printing is characterized, which renders us the ability to construct smart structures with more delicate LC alignments. Furthermore, we introduce the selective deformation of LCE structures with programmed molecular orientation using the photo-thermal effect. Our reported approach reveals the significant potential for fabricating morphing structures in various fields, including soft robotics, biomedical structures, and microelectronics. (†These authors contributed equally.)

研究の動機と目的

• LCE の 4D 印刷中に液晶ディレクターを非接触で迅速に配向させることを可能にする。
• 磁場配向のために室温でネマティックかつプリント可能なLCE前駆体を開発する。
• 印刷層内で LC ディレクターの磁場支援パターニングを実証する。
• 磁場で配向された LCE 構造において、熱的作動性が可逆的に >30% 示されることを示す。
• 形状変形のための光熱効果を用いた選択的変形を導入する。

提案手法

• 再配置可能な磁場をデジタルライトプロジェクション（DLP）印刷システムと統合する。
• 磁場配向のために室温で液晶性を保ち流動可能な LCE 前駆体を定式化する。
• 印刷中に磁場（≈500 mT）を適用して各層の LC ディレクターを温度サイクルなしに配向する。
• 印刷層内の局所的および任意の磁場配向を特徴づけ、繊細な LC 配向を可能にする。
• 光熱効果による選択的なLCE構造の変形を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DLPシステムを用いて磁場で配向された LC ディレクターを LCE 内に信頼性高く印刷できるか。
• RQ2 熱サイクルなしで迅速な室温配向を可能にする磁場強度と処理ウィンドウは何か。
• RQ3 積層された LCE 構造は、プログラムされたディレクターモザイクを通じて、可逆的な熱駆動と制御可能な形状変化を示せるか。
• RQ4 選択的な光熱活性化が磁場でプログラムされた配向とどのように相互作用して部位特異的な変形を可能にするか。

主な発見

• 印刷されたLCE構造は、可逆的な熱的作動を30%を超えて示す。
• 印刷中の500 mTでの磁場配向は、温度上昇やサイクリングなしに数秒で LC ディレクターを配向する。
• 層内の局所的および任意の LC ディレクター配向が実現可能で、微妙なモザイクパターンを可能にする。
• このアプローチはソフトロボティクス、生体医療機器、マイクロエレクトロニクスなどへの適用可能なモーフィング構造をサポートする。
• この手法は磁気プログラミングとともに光熱効果を用いた選択的変形を促進する。