光聚合打造任性的“折纸塑料”

折纸手工品是我们每一个人再熟悉不过的东西了，在那些物质水平并不优越的年代，手指下折出的飞机坦克依旧充实了每一个孩子的童年。事实上，折纸结构不仅仅是一种玩具，在诸多科研领域，如微机械、软式驱动器、仿生材料等领域中，折纸结构都是重要的参考模型。但科研中的相关折纸结构含有很大的缺陷，如复杂的材料体系和加工过程。最近，北京大学工学院方岱宁院士、赵泽昂博士研究生与GeorgiaInstitute of Technology的H. Jerry Qi教授和吴江涛博士研究生合作发明了一种利用光聚合反应控制的折纸结构制造方法，相关研究工作发表在《Science Advances》上。

研究者使用的材料原料为液态的光聚合型树脂（主要成分为双丙烯酸酯类单体），在体系中同时含有光吸收剂和光引发剂。一般的光聚合反应过程中，体系经过光照产生交联生成固态的高分子材料，并且因为新共价键的形成伴有体积収缩。研究者使用的核心原理为正面光聚合（FPP），即只在液态单体池的一侧引入光源，从近光源侧到远光源侧逐渐产生固化反应，但是，近光源侧到远光源侧光强逐渐减弱，因此随距离光源的远近差别有着不同的体积收缩比例，由于基体的限制，从而产生一个非均匀的应力场，因此将新生成的固体薄膜取出后，就会产生弯曲，并且弯曲的程度取决于光照的时间及强度，以此达到形变产生类似折纸的结构。

▲ 正面光聚合的原理

这样一个聚合反应并不是该科研的独创，实际上，很多新机理的3D打印正是利用了上述机理。研究者们的聪明之处，在于可以首先利用软件设计出各种形状的明暗度不同的图案，将这些图案产生的光图形进行投射，使材料在定点部位产生弯曲，则可以产生各种各样形状的折纸结构。

▲ 多种复杂的“折纸”塑料结构，在结构的设计前进行了大量的理论计算与模拟

虽然研究者使用的光固化树脂原料是PEG型双丙烯酸酯，但是这种技术对于其他类型的光固化树脂依然有效。同时可以在体系中添加各种颜色的颜料，本研究中使用的为橙色颜料。

总体而言，这项研究工作巧妙地利用了聚合过程中的体积收缩原理，可以以此制造出很多复杂结构的类折纸材料。为以后科学家们制造更精密的电子器件、生物医用器件等提供了新的路线。

参考文献：

Zhao, Z.; Wu, J.; Mu, X.; Chen, H.; Qi, H. J.; Fang, D.,Origami by frontal photopolymerization. Science Advances 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1602326

链接：

http://advances.sciencemag.org/content/3/4/e1602326.full

来源：高分子科学前沿  娃哈哈 来稿

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