Heb je ooit 3D-structuren met hoge resolutie op micro-/nanoschaal in beeld gebracht die dynamisch reageren op hun omgeving? De 4D-printtechnologie verandert het spel door slimme materialen te gebruiken die opmerkelijke vormvervorming vertonen als reactie op externe stimuli, wat het enorme potentieel aantoont voor gebruik in de biogeneeskunde, flexibele elektronica, zachte robotica en ruimtevaart.

Maar er is een enorme uitdaging:als we willen dat 4D-printen de microwereld betreedt, hebben we een 3D-printtechnologie met hogere resolutie nodig die in staat is om submicrometer- of zelfs kleinschaligere kenmerken te realiseren.

In een publicatie in het International Journal of Extreme Manufacturing introduceert het team van prof. Qi Ge van de Southern University of Science and Technology een game-changer:op twee fotonenpolymerisatie gebaseerde (TTP-gebaseerde) 4D-printtechnologie, die hoge resoluties kan fabriceren, variërend van 90 nm tot 500 nm, en transformeerbare 3D-structuren op micro-/nanoschaal.

Dit artikel heeft tot doel de huidige ontwikkelingen van de op TPP gebaseerde 4D-printtechnologie en de bijbehorende toepassingen samen te vatten. Het begint met het toelichten van de technologische vooruitgang van op TPP gebaseerd 4D-printen, waarbij het fundamentele werkingsprincipe en de recente vooruitgang worden geschetst.

Bovendien vat de review de vooruitgang samen die is bereikt op het gebied van slimme materialen die worden ingezet voor op TPP gebaseerd 4D-printen. Ten slotte accentueert het artikel de typische toepassingen van op TPP gebaseerd 4D-printen, waaronder de domeinen van biomedische microrobots, bio-geïnspireerde microactuators, autonome mobiele microrobots, transformeerbare microrobots en apparaten tegen namaak.

"TPP-technologie maakt de fabricage van multifunctionele micro-/nanostructuren mogelijk door geschikte fotoresistmaterialen te selecteren die zijn afgestemd op de gewenste functies van de doeltoepassing", zegt Bingcong Jian, de eerste auteur van het artikel.

"Deze gespecialiseerde fotoresists maken de creatie mogelijk van micro-/nanostructuren die dynamische eigenschappen vertonen, zoals stimulusresponsiviteit, biomimetische zelfactuatie, kleurverandering en vormveranderingsmogelijkheden, die buiten het bereik van commerciële fotoresists liggen. De 4D-printmaterialen die geschikt zijn voor TPP worden geïntroduceerd in vier categorieën:magnetische materialen, vormgeheugenpolymeren, hydrogels en vloeibaar-kristalelastomeren."

4D-printen is een geprogrammeerde transformatie van de 3D-geprinte structuur in vorm, eigenschap en functionaliteit. Het kan vormverandering, multifunctionaliteit, zelfassemblage en zelfreparatie realiseren. Het is printeronafhankelijk, tijdsafhankelijk en programmeerbaar. De opkomst van op TPP gebaseerde 4D-printtechnologie houdt de belofte in dat er in de nabije toekomst een revolutie zal plaatsvinden op verschillende terreinen, waaronder robotica, biogeneeskunde en nanotechnologie.

De toepassingen worden geclassificeerd op basis van structurele evoluties en veranderingen, zoals vormverandering, kleurverandering, toestandswisseling en voortbeweging. Bijgevolg kunnen de potentiële toepassingen van op TPP gebaseerde 4D-geprinte structuren in vijf categorieën worden gegroepeerd:biomedische micromachines, bio-geïnspireerde microactuators, autonome mobiele microrobots, transformeerbare apparaten en robots, en microdevices tegen namaak.

"Naarmate we ons dieper verdiepen in het domein van TPP-gebaseerd 4D-printen, worden we geconfronteerd met zowel opwinding als intrigerende uitdagingen", merkt Qi Ge op. "Ons pad voorwaarts omvat het aanpakken van deze uitdagingen met het oog op innovatie en aanpassing.

“Een allergrootste zorg is de noodzaak om onze productiecapaciteit te vergroten. Om op TPP gebaseerd 4D-printen een integraal onderdeel te maken van diverse industrieën, moeten we apparatuur ontwikkelen die in staat is om meerdere materialen op micro-/nanoschaal te cross-scaling en te verwerken. Dit brengt een reis met zich mee. naar een grotere printsnelheid, schaalbaarheid en precisie. Even belangrijk is onze zoektocht naar het optimaliseren van de materiaalprestaties. De fotoresists die we gebruiken zijn de levensader van onze creaties.

"Om structurele transformaties en functionele uitmuntendheid te bereiken, moeten we fotoresists met superieure chemische, thermische en mechanische eigenschappen innoveren en verfijnen. Deze materialen moeten robuust, flexibel en duurzaam zijn. De kern van onze toekomstige inspanningen ligt echter in onze ontwerpmethodologie . We onderzoeken manieren om processen, materiaal, structuur en functie samen te voegen tot een harmonieus ontwerpraamwerk.

"Deze aanpak maakt gebruik van topologische optimalisatie en machine learning om tegelijkertijd het printproces, de materiaalkeuzes en structurele ontwerpen te verfijnen. Het resultaat is het vermogen om micro-/nanostructuren te vervaardigen met op maat gemaakte functionaliteiten.

"Onze ambitie is duidelijk. Door middel van geavanceerde ontwerptechnieken willen we nieuwe horizonten ontsluiten op het gebied van op TPP gebaseerd 4D-printen. Het overwinnen van deze uitdagingen gaat niet alleen over technologische vooruitgang; het gaat over het hervormen van industrieën en baanbrekende innovatieve toepassingen. We zijn enthousiast om te beginnen op deze reis terwijl we de toekomst van op TPP gebaseerd 4D-printen in kaart brengen."

Meer informatie: Bingcong Jian et al, Op twee-fotonenpolymerisatie gebaseerd 4D-printen en zijn toepassingen, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/acfc03

Aangeboden door International Journal of Extreme Manufacturing