Mikro/nanoskala 4D-printrevolution:Fremstilling af transformerbare 3D-strukturer i høj opløsning

Har du nogensinde afbilledet højopløselige 3D-strukturer i mikro/nanoskala, der reagerer dynamisk på deres omgivelser? 4D-printteknologien ændrer spillet ved at bruge smarte materialer, der udviser bemærkelsesværdig formdeformation som reaktion på ydre stimuli, hvilket viser det enorme potentiale for brug inden for biomedicin, fleksibel elektronik, blød robotteknologi og rumfart.

Men der er en kæmpe udfordring:For at 4D-print skal træde ind i mikroverdenen, har vi brug for en 3D-printteknologi med højere opløsning, der er i stand til at opnå sub-mikrometer eller endda mindre skala funktioner.

I en publikation i International Journal of Extreme Manufacturing , Prof. Qi Ge's team fra Southern University of Science and Technology introducerer en game-changer - to-foton polymerisationsbaseret (TTP-baseret) 4D printteknologi, som kan fremstille høj opløsning, der spænder fra 90 nm til 500 nm, og transformerbare 3D-strukturer på mikro/nanoskala.

Denne artikel har til formål at opsummere de nuværende fremskridt inden for den TPP-baserede 4D-printteknologi og dens tilknyttede applikationer. Det begynder med at belyse de teknologiske fremskridt inden for TPP-baseret 4D-print, afgrænse dets grundlæggende arbejdsprincip og de seneste fremskridt.

Derudover indkapsler anmeldelsen de fremskridt, der er opnået i smarte materialer, der er udnyttet til TPP-baseret 4D-print. Sidst fremhæver papiret de essentielle anvendelser af TPP-baseret 4D-printning, herunder biomedicinske mikrorobotter, bioinspirerede mikroaktuatorer, autonome mobile mikrorobotter, transformerbare mikrorobotter og anti-forfalskningsenheder.

"TPP-teknologi giver mulighed for fremstilling af multifunktionelle mikro/nanostrukturer ved at vælge passende fotoresistmaterialer, der er skræddersyet til de ønskede funktioner i målapplikationen," sagde Bingcong Jian, den første forfatter til papiret.

"Disse specialiserede fotoresists muliggør skabelsen af ​​mikro/nanostrukturer, der udviser dynamiske egenskaber såsom stimulusrespons, biomimetisk selvaktivering, farveændring og form-morphing-egenskaber, som er uden for rækkevidde af kommercielle fotoresists. 4D-printmaterialerne er egnet til TPP introduceres i henhold til fire kategorier:magnetiske materialer, formhukommelsespolymerer, hydrogeler og flydende krystalelastomerer."

4D-print er en programmeret transformation af den 3D-printede struktur i form, egenskab og funktionalitet. Det kan realisere form-morphing, multifunktionalitet, selvsamling og selvreparation. Den er printeruafhængig, tidsafhængig og programmerbar. Fremkomsten af ​​TPP-baseret 4D-printteknologi har løftet om at revolutionere forskellige områder, herunder robotteknologi, biomedicin og nanoteknologi, i den nærmeste fremtid.

Applikationerne er klassificeret baseret på strukturelle udviklinger og ændringer, såsom formmorphing, farveændring, tilstandsskift og bevægelse. Følgelig kan de potentielle anvendelser af TPP-baserede 4D-printede strukturer grupperes i fem kategorier:biomedicinske mikromaskiner, bioinspirerede mikroaktuatorer, autonome mobile mikrorobotter, transformerbare enheder og robotter og mikroenheder til bekæmpelse af forfalskning.

"Når vi begiver os dybere ind i området for TPP-baseret 4D-print, bliver vi mødt med både spænding og spændende udfordringer," bemærker Qi Ge. "Vores vej frem involverer at tackle disse udfordringer med et øje mod innovation og tilpasning.

"En altafgørende bekymring er behovet for at forbedre vores produktionskapacitet. For at gøre TPP-baseret 4D-print til en integreret del af forskellige industrier, skal vi udvikle udstyr, der er i stand til at krydsskalere og håndtere flere materialer på mikro/nanoskala. Dette indebærer en rejse mod større udskrivningshastighed, skalerbarhed og præcision Lige så kritisk er vores søgen efter at optimere materialeydelsen. De fotoresists, vi anvender, er livsnerven i vores kreationer.

"For at opnå strukturelle transformationer og funktionel ekspertise er vi nødt til at innovere og forfine fotoresists med overlegne kemiske, termiske og mekaniske egenskaber. Disse materialer skal være robuste, fleksible og holdbare. Men hjertet i vores fremtidige bestræbelser ligger i vores designmetodologi Vi udforsker måder at syntetisere proces, materiale, struktur og funktion i en harmonisk designramme.

"Denne tilgang udnytter topologisk optimering og maskinlæring til at forfine printprocessen, materialevalg og strukturelle design samtidigt. Resultatet er evnen til at lave mikro/nanostrukturer med skræddersyede funktionaliteter.

"Vores ambition er klar. Gennem avancerede designteknikker sigter vi mod at åbne nye horisonter inden for TPP-baseret 4D-print. At overvinde disse udfordringer handler ikke kun om teknologiske fremskridt; det handler om at omforme industrier og banebrydende innovative applikationer. Vi er glade for at gå i gang med på denne rejse, mens vi kortlægger fremtiden for TPP-baseret 4D-print."

Flere oplysninger: Bingcong Jian et al., To-foton-polymerisationsbaseret 4D-print og dets applikationer, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/acfc03

Leveret af International Journal of Extreme Manufacturing