[논문 리뷰] Printing Mosaics of Magnetically Programmed Liquid Crystal Directors for Reversibly Morphing Soft Matter

Yueping Wang, Jongwon An외 7명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 12.

Advanced Materials and Mechanics인용 수 5

한 줄 요약

본 논문은 제조 중 자장에 의해 배향될 수 있는 디지털 라이트 프로젝션(DLP) 프린팅 방식으로 액정 탄성체(LCE)를 구현하여, 가역적인 열 작동 및 프린트 구조물에서 프로그래밍 가능한 LC 디렉터 모자이크를 가능하게 한다.

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.)

연구 동기 및 목표

• 실온에서 네마틱 상태를 유지하고 프린트 가능한 LCE 전구체를 개발하여 자기 정렬에 대비한다.
• 실온에서 네마틱 상태를 유지하고 프린트 가능한 LCE 전구체를 개발하여 자기 정렬에 대비한다.
• 프린트된 층 내에서 LC 디렉터를 자장으로 유도하는 패터닝을 시연한다.
• 자기장에 의해 배향된 LCE 구조의 30%를 초과하는 가역적인 열 작동을 보여준다.
• 모프 구조를 위한 광열 효과를 이용한 선택적 변형을 도입한다.

제안 방법

• 재배향 가능한 자기장을 디지털 라이트 프로젝션(DLP) 프린팅 시스템과 통합한다.
• 자기 정렬을 위해 실온에서 액정 상태를 유지하고 흐름 가능한 LCE 전구체를 고안한다.
• 프린팅 중 각 층에서 LC 디렉터를 온도 사이클 없이 정렬하기 위해 자장(약 500 mT)을 적용한다.
• 정교한 LC 배향을 가능하게 하기 위해 프린트된 층 내의 국지적이고 임의의 자장 배향을 특성화한다.
• 광열 효과를 통한 LCE 구조의 선택적 변형을 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DLP 시스템을 사용하여 자기에 의해 배향된 LC 디렉터를 LCE 내에서 신뢰성 있게 프린트할 수 있는가?
• RQ2 온열 사이클 없이 빠른 실온 정렬을 가능하게 하는 자장 세기와 처리 창은 무엇인가?
• RQ3 적층된 LCE 구조가 가역적인 열 구동과 프로그램된 디렉터 모자이크를 통한 제어 가능한 형태 변화를 보일 수 있는가?
• RQ4 선택적 광열 활성화가 자기로 프로그래밍된 방향과 어떻게 상호 작용하여 위치 특이적 변형을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 프린트된 LCE 구조는 30%를 초과하는 가역적인 열 작동을 보인다.
• 프린팅 중 500 mT의 자장 정렬로 LC 디렉터를 수 초 내에 온도 상승이나 사이클링 없이 정렬한다.
• 층 내에서 국지적이고 임의의 LC 디렉터 정렬이 달성되어 미묘한 모자이크 패턴을 가능하게 한다.
• 이 접근법은 소프트 로보틱스, 생의학 기기 및 마이크로일렉트로닉스에 적용 가능한 모핑 구조를 지원한다.
• 자기 프로그래밍과 함께 광열 효과를 이용한 선택적 변형을 용이하게 한다.