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。