弗吉尼亚大学许宝星《Science Advances》：液体驱动的软材料转印和编织理论技术

软材料的空间结构与其传统的平面结构相比，不仅继承了材料的低弹性模量和高机械柔性等独特性能，而且还拓展了可编程功能的参数控制空间，具有更加广泛的应用场景，例如软体机器人、可穿戴电子设备、微纳机械系统、微流体结构和生物医疗器械。现有的软材料空间结构的制造方法在很大程度上依赖于具有平坦表面的二维固体基底，并且基底往往需要超高的机械拉伸性。此外将制造好的空间结构转移到特定目标基底上仍具有挑战性。

与传统的固体基底相比，液体由于其较好的流动特性，有助于释放材料在制备、生长、自组装等过程中产生的残余应力，并可以有效地避免在制造过程中由于材料和周围固体基底约束导致的变形不匹配，被认为是制备各种功能材料和器件的新兴载体介质。美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）机械与航空工程系许宝星（Baoxing Xu）课题组于2020年提出了基于弹性毛细力作用机制下的平面转印技术（Zhang et al.PNAS,117(2020)5210-5216）。

近日，他们课题组进一步利用此原理开发了弹性毛细力驱动的旋转式转移技术。该方法可以快速、无损伤地将软材料编织并组装到三维曲面基底上，以制备软材料的空间结构。此转移技术可以通过控制旋转方向和材料初始取向，在圆柱体、球体等多种几何形状的曲面基底上形成具备特定编织手性、编织顺序和排布的空间编织结构。此技术还可以通过对旋转方向进行编程来产生折叠形状的局部凸起结构，并且凸起结构的数量和分布可以通过转动条件进行控制。并且，利用固液界面作用，编织的结构可以很容易的取出而成为无基体支撑的三维空间结构。研究人员进一步采用导热复合材料薄膜编织的空间结构演示了具有多变形模态的热驱动功能器件。实验表明其在温度驱动下的变形形状具有很好的可控性和可编程性。该工作以“Elastocapillary rolling transfer weaves soft materials to spatial structures”为题，于8月23日在线发表于Science Advances期刊上。张岳（Yue Zhang）博士，尹蒙天（Mengtian Yin）博士为论文的共同第一作者。

提出的这种基于液体表面的弹性毛细力旋转式转移技术工作原理如图1所示。在转移的初始时刻，位于液体表面的软材料一端与基底的表面接触，形成初始转移前端。当基底由顺时针或逆时针方向旋转时，软材料将从液体表面脱离，并连续通过转移前端逐渐转移到曲面基底上，最终形成空间螺旋结构。并且该空间螺旋结构的手性，螺纹尺寸、角度与基底的旋转方向和软材料相对于基底的初始朝向直接相关。通过对转移前端处的软材料变形力学和能量分析，研究人员建立了相应的理论模型，并揭示了空间螺旋结构的螺纹尺寸与角度和软材料初始朝向之间的定量关系，并通过转移实验验证了该理论结果。研究人员进一步在理论和实验中证明了此技术适用于线状、带状和大面积薄膜状等不同几何形状的软材料的编织与组装，并且编织结构的尺寸都具有很好的可控性。同时此技术可以将软材料编织到圆柱体、圆锥体、球体等多种几何形状的三维基底上。

图1. 在曲面基底上编织软材料的空间螺旋结构

与编织具有单一手性的空间螺旋结构的连续单向旋转转移不同，当在转移过程中切换基底的旋转方向时，可以在编织结构中生成折叠状的局部凸起结构，如图2所示。研究人员通过理论分析，建立了局部凸起结构的数量，其在基底表面环向分布的位置，所处位置的薄膜层数与基底旋转方向切换次数，旋转角度之间的定量关系。同时研究人员通过理论预测了凸起结构的半径尺寸。并且理论预测的结果都与实验测量结果相吻合。这些结果证明了所提出的转移技术可以通过对转移过程中的旋转方式进行编程，从而在空间编织结构中生成所需要的局部凸起特征。

图2. 在空间结构中生成耳朵状局部折叠特征

研究人员通过一系列实验和理论分析证明了由PDMS/MWCNTs复合材料薄膜制成的空间编织结构具有独特的多变形模态热驱动功能。根据空间结构的编织模式，其可以实现弯曲、扭转以及两者混合模式的机械变形，如图3所示。当在空间结构中引入编织顺序的切换时，在顺序切换的位置将发生弯曲变形。对于具有倾斜编织（交叉）位置的编织结构，热膨胀将导致结构的扭转变形。当结构中的编织顺序均匀且编织位置位于中心时，除了均匀膨胀之外，不会发生机械变形（即弯曲和扭转）。研究人员进一步在实验中演示了通过对编织结构的编织位置和顺序切换进行编程，可以操纵结构在温度驱动下变形为各种目标形状。

图3. 空间编织结构在可编程、多模态热驱动器中的理论依据以及应用

总结：在此工作中提出的旋转式弹性毛细力转移技术引入了一种新型的编织和组装策略，可用于在曲面基底上获得软材料的空间编织结构，并且结构的编织手性、图案、顺序和排布可以通过调节转移方式进行控制。由导热薄膜编织而成的空间结构在可编程功能器件中有着广泛应用的潜力。在对已建立的材料选择和系统控制参数空间的理论分析的指导下，此转移技术与刺激响应材料的集成将有助于创造新一代制造技术，用于制造各种具有主动适应应用环境能力的空间结构。

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