俄亥俄趙芮可《AM》磁性動態(tài)高分子聚合物用于模塊化組裝和可重構(gòu)變形架構(gòu)

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關(guān)注 2021年6月21日 11:34

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【科研摘要】

由軟聚合物基質(zhì)中的磁性粒子組成的形狀變形磁性軟材料可以可逆、遠程和快速地改變形狀，在執(zhí)行器、軟機器人和生物醫(yī)學設備中找到多種應用。為了實現(xiàn)按需和復雜的形狀變形，非常需要制造具有復雜幾何形狀和磁化分布的結(jié)構(gòu)。最近， 佐治亞理工學院 H. Jerry Qi 教授 和俄亥俄州立大學 趙芮可助理教授 團隊 報道了一種 磁性動態(tài)聚合物 (MDP) 復合材料，該復合材料由動態(tài)聚合物網(wǎng)絡中的硬磁性微粒組成，具有熱響應可逆連接，其功能包括用于磁輔助組裝的靶向焊接、磁化重編程和永久結(jié)構(gòu)重構(gòu)。

這些功能不僅提供了非常理想的結(jié)構(gòu)和材料可編程性和可重編程性，而且還能夠制造功能性軟結(jié)構(gòu)材料，例如具有復雜磁化分布的 3D 剪紙。磁輔助模塊化組件的焊接可以進一步與磁化重編程和永久重塑能力相結(jié)合，以實現(xiàn)可編程和可重配置的架構(gòu)和變形結(jié)構(gòu)。 預計報告的 MDP 將為未來多功能組件和可重新配置的變形架構(gòu)和設備的設計和制造提供新的范例。 相關(guān)論文以題為 Magnetic Dynamic Polymers for Modular Assembling and Reconfigurable Morphing Architectures 發(fā)表在《 Advanced Materials 》上。

【主圖導讀】

圖1 磁性動態(tài)聚合物（ MDP）的工作機理和功能示意圖。 a) MDP 組成的示意圖。NdFeB 微粒嵌入具有可逆化學鍵的動態(tài)聚合物 (DP) 中。b）基于DA反應的DP在不同溫度下通過網(wǎng)絡拓撲轉(zhuǎn)變的可逆彈塑性轉(zhuǎn)變方案。用于網(wǎng)絡排列的游離呋喃和 DA 加合物鍵之間的鍵交換反應在溫和溫度 (TBER) 下占主導地位，并且在升高的溫度 (TrDA) 下有利于可逆鍵斷裂。c) 在接近 TBER 的溫度下 MDP 模塊的模塊化焊接示意圖。d) 在 TrDA 的磁場下通過鍵裂解和粒子旋轉(zhuǎn)進行磁化重編程的示意圖。e) 通過 TBER 應力松弛的塑性磁導永久結(jié)構(gòu)重構(gòu) MDP 的示意圖。

圖2 DP 和 MDP 的機械和熱機械特性。 a) DP 和 MDP 的拉伸應力-應變曲線。b) DP 和 MDP 從 -40 到 120 °C 的 DMA 加熱曲線，具有顯著的特征玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (T _g )、鍵交換反應溫度 (TBER) 和 rDA 反應溫度 (TrDA)。c) 在不同溫度下 MDP 的應力松弛測試中，歸一化松弛模量隨時間的變化。d) DP 和 MDP 從 -60 到 150 °C 的 DSC 加熱曲線，具有顯著的特征溫度。

圖3 磁輔助模塊化組裝，無縫焊接 。 a) 由三個 MDP 模塊組成的長條組件的圖像，通過磁引力和紅外 (IR) 光加熱（80°C 持續(xù) 5 分鐘）。b) 在不同條件下加工的原始樣品和焊接 MDP 樣品的拉伸應力-應變曲線。c) 加工條件對加工后的 MDP 焊接效率的影響。d）方形單向磁化模塊和具有五個雙單元組合邏輯的雙向磁化模塊通過磁引力的示意圖。e-h) 各種組裝 2D 平面結(jié)構(gòu)的示意圖設計、有限元分析和實驗結(jié)果，具有用于復雜形狀變形的程序磁化：扭曲條 (e)、“Z”形結(jié)構(gòu) (f)、“H” ”形結(jié)構(gòu)（g ）和方形環(huán)結(jié)構(gòu)（ h）。

圖4 MDP中磁化的原位重編程。 a）在磁場下使用紅外光源和光掩模對硅膠封裝的 MDP 陣列進行磁化重編程的示意圖。磁性粒子可以通過 T _rDA 處的外部磁場重新排列。b) 制造的 4 × 4 MDP 陣列、鋁光掩模和暴露于 IR 照明后的溫度分布的圖像。c) 在 35 mT 磁場下，在110 °C 左右，MDP 中 NdFeB 顆粒原位重新排列的顯微鏡快照。d）沿外部磁場方向從初始各向同性分散到鏈狀結(jié)構(gòu)的多次磁化重編程循環(huán)。e,f) 具有初始磁化強度 (e) 和重新編程磁化強度 (f) 的 MDP 陣 列的設計、模擬和實驗結(jié)果。

圖5 MDP 的磁輔助永久 3D 結(jié)構(gòu)重構(gòu)，用于制造復雜的多穩(wěn)態(tài)架構(gòu)。 a) 原理圖設計和帶有螺旋切口的制造平面剪紙（螺旋設計）。黑色箭頭粗略地表示磁化。b) 平面螺旋結(jié)構(gòu)的磁致動。c) 紅外輻射下磁驅(qū)動螺旋結(jié)構(gòu)的應力釋放過程。d) 重塑雙穩(wěn)態(tài)螺旋結(jié)構(gòu)的機械或磁驅(qū)動。e，f）拉伸試驗中螺旋設計的力/旋轉(zhuǎn)角-位移曲線和快照：初始平面結(jié)構(gòu)（e）和重塑的 3D 結(jié)構(gòu)（f）。g) 原理圖設計和具有同心圓弧切割的平面剪紙（同心圓弧設計）。h) 平面同心圓弧結(jié)構(gòu)的磁驅(qū)動。i) 紅外輻射下磁驅(qū)動同心圓弧結(jié)構(gòu)的應力 釋放過程。 j) 具有四個穩(wěn)定狀態(tài)的多穩(wěn)態(tài) 3D 剪紙架構(gòu)的圖像。k,l) 拉伸試驗中同心圓弧設計的力-位移曲線和快照：初始平面結(jié)構(gòu) (k) 和重塑的 3D 結(jié)構(gòu) (l)。

圖6 MDP 模塊的磁驅(qū)動遠程導航和組裝，具有可重新編程驅(qū)動和可重新配置架構(gòu)的組合功能。 a) MDP模塊的磁驅(qū)動遠程導航和組裝機制。b,c) 條形 (b) 和十字形 (c) 的 MDP 模塊的組裝邏輯。d) 磁化重編程和重塑。e) (b) 中條帶結(jié)構(gòu)的組裝。f,g) 有限元分析 (f) 和 (b) 中組裝條帶結(jié)構(gòu)的動態(tài)爬行運動 (g) 的實驗演示。h) (c) 中交叉結(jié)構(gòu)的組裝。i,j) 有限元分析 (i) 和 (c) 中組裝的交叉結(jié)構(gòu)的動態(tài)旋轉(zhuǎn)運動 (j) 的實驗演示。k,l) 有限元分析 (k) 和交叉結(jié)構(gòu)動態(tài)運動 (l) 的實驗演示，在 (d) 中具有重新編程的磁化強度，用于在順時針旋轉(zhuǎn)磁場下轉(zhuǎn)移球體的封裝和滾動運動。m) 重新編程和重塑后交叉結(jié)構(gòu)的永久結(jié)構(gòu)重構(gòu)。

【總結(jié)】

該團隊報告了一種 MDP 復合材料，用于創(chuàng)建具有復雜幾何形狀和磁化分布的結(jié)構(gòu)，用于模塊化組裝和可重構(gòu)形狀變形架構(gòu)。 DP 網(wǎng)絡重排和磁偶極重排是通過溫度場和磁場的協(xié)同控制來調(diào)整的。展示了功能特性和應用，包括具有目標功能驅(qū)動的模塊化組件的無縫焊接、可重構(gòu)驅(qū)動模式的磁化重編程以及具有異常特性的遠程控制結(jié)構(gòu)重構(gòu)。 通過合并共價自適應網(wǎng)絡聚合物和磁性材料的 MDP 概念可以擴展到不同的 MSM，使用各種刺激響應動態(tài)反應和眾多磁性材料，具有可調(diào)的機械、流變和磁性特性。由于共價自適應網(wǎng)絡聚合物能夠在制造過程中實現(xiàn)材料焊接和 結(jié)構(gòu)重構(gòu)、服務過程中的修復以及服務結(jié)束時的回收利用的獨特性能， 它們?yōu)?MSM 提供了一種綠色材料矩陣，具有增強的多功能性，超越了可重構(gòu)的形狀變形。 團隊 設想 MDP 及其衍生功能為下一代多功能組件、可重新配置的形狀變形架構(gòu)和設備提供了巨大的潛力。

參考文獻 ：

doi.org/10.1002/adma.202102113

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