近日，中國科學技術大學李木軍教授和合作者提出一種複合冷場 3D 列印策略，在近環境溫度響應型液晶彈性體（NAT-LCEs，Liquid crystal elastomers with near-ambient temperature-responsiveness）的製造與功能調控方面取得了以下核心成果與發現。
圖 | 李木軍（來源：李木軍）
第一，他們實現了高取向度 NAT-LCEs 的 3D 列印技術突破，開發了低溫噴嘴與冷卻平台協同溫控系統，讓低溫針頭通過剪切應力增強擠出過程中液晶基元的取向排列。同時，他們讓冷卻列印平台維持低溫環境，實現取向的快速鎖定並抑制紫外固化放熱對基元的取向有序性的破壞。另外，他們實現了向列有序性的顯著提升，採用廣角 X 射線散射（WAXS，Wide-Angle X-Ray Scattering）測定有序參數（S）達 0.406，較傳統室溫 3D 列印（S=0.013）提升 3000%。
第二，他們實現了自發 3D 形變與雙向可編程驅動。利用列印過程中 NAT-LCEs 的相變溫度的偏移現象，讓列印的 2D 平面結構在脫離平台後，自發形變為預設的 3D 結構。進一步地，他們通過環境溫度調控實現了雙向可逆形變。
第三，他們實現了梯度材料與功能器件的創新。通過調控針頭與平台溫度，他們實現了 NAT-LCEs 的梯度性能設計，在單一構件中集成了多區域差異化取向，支持複雜形變模式。同時，他們開發了基於 3D 列印 NAT-LCEs 的生物兼容可穿戴器件，經過優化設計的腕帶系統可自動貼合人體皮膚，通過溫度響應形變增強心率信號監測精準度，驗證了其在醫療監測與自適應穿戴設備中的應用潛力。
總結來說，本次研究不僅突破了兼顧 NAT-LCEs 高取向度與複雜 3D 結構的製造難題，還揭示了相變溫度動態調控驅動自發形變的機制，為智能材料在軟體機器人、生物醫療等領域的應用開闢了新途徑。
（來源：ACS Nano）
據介紹，本研究針對 NAT-LCEs 在製造兼具可編程結構與高取向度性能的關鍵瓶頸展開。其背景與動機可歸納為以下三點：
首先，解決應用需求與材料特性矛盾。NAT-LCEs 因其近環境溫度的相變特性，在生物兼容設備、低功耗軟體機器人等領域潛力顯著。然而，傳統 LCEs 的相變溫度需高能量輸入且存在生物安全隱患，限制了其實際應用。儘管近年研究工作通過化學改性已將 TNI 降至近環境溫度，但如何同時實現高取向度與複雜 3D 結構的製造仍是核心挑戰。
其次，解決現有製造技術的「雙維度局限」。模塑法雖能調控液晶基元排列，但僅能生成簡單單軸/旋轉取向的 2D 結構，無法構建 3D 複雜形狀。直寫 3D 列印（DIW，Direct Ink Writing）雖可通過擠出路徑編程液晶基元排列，但常溫列印時墨水黏度低、剪切應力不足，導致取向度極低，且紫外固化過程放熱會破壞基元有序性。
再次，挖掘相變溫度動態調控的未開發潛力。現有研究觀察到低聚物墨水固化前後 TNI 存在 5-35℃的差異，但未利用此特性實現列印過程中的自發 3D 形變。此外，由於室溫在 NAT-LCEs 的溫度響應區間內，使之具備雙向形變潛力，但傳統高轉變溫度 LCEs 無法體現這一特性。
研究中，他們所面臨的問題是：如何通過工藝創新在 3D 列印中同步實現液晶基元高取向與複雜結構？以及能否利用 NAT-LCEs 的相變溫度偏移特性和近室溫特點，開發自發形變與雙向驅動功能？
為此，他們採用液體冷卻系統，確保墨水擠出時處於向列相，通過剪切應力誘導液晶基元沿流動方向排列，並利用半導體製冷快速鎖定取向，避免紫外固化放熱破壞介晶有序性。通過此，他們實現了雙溫區協同控制的 DIW 3D 印表機，實現列印過程溫度梯度場（5–25℃）的精確調控。
同時，他們通過邁克爾加成反應合成了低聚物墨水，混合了液晶單體、鏈延伸劑以及光引發劑。另外，他們還優化單體比例，將墨水相變溫度降至 15.6℃，確保其在近室溫下響應。
然後，他們通過流變實驗驗證剪切稀化效應確定可列印性，研究低溫對 NAT-LCE 墨水剪切取向增強的影響。其發現，列印過程中墨水固化引發相變溫度從 15.6℃ 升至 45℃，這樣一來列印的 2D 平面結構在脫離平台之後，會自發形變為預設的 3D 結構。
此外，他們還利用相變溫度響應區間涵蓋室溫的特性，實現 NAT-LCEs 在升溫與降溫時的雙向驅動。並通過調節針頭與平台溫度，在單一構件中集成多區域差異化取向。
接著，他們開發了基於 3D 列印 NAT-LCEs 的自適應心率監測腕帶，利用材料近體溫響應特性，腕帶可以在需要時自動加熱收縮，並能增強信號採集精準度。總的來說，這項研究推動了 NAT-LCEs 在軟體機器人、生物醫療等領域的應用從實驗室向產業化邁進。
日前，相關論文以《近環境響應性液晶彈性體的 3D 列印，其具有增強的向列相秩序和多態轉變特性》（3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation）為題發在 ACS Nano[1]，中國科學技術大學碩士生李東曉、孫宇軒博士為論文共同第一作者，中國科學技術大學李木軍教授、張世武教授和孫宇軒博士擔任共同通訊作者 [1]。
圖 | 相關論文（來源：ACS Nano）
參考資料：
1.Li, D., Sun, Y., Li, X., Li, X., Zhu, Z., Sun, B., ... & Li, M. (2025). 3D printing of near-ambient responsive liquid crystal elastomers with enhanced nematic order and pluralized transformation. ACS Nano, 19(7), 7075-7087.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c15521
排版：劉雅坤、何晨龍
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