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Spatially programmed alignment and actuation in printed liquid crystal elastomers

弹性体 喷嘴 材料科学 变形 辅助 液晶 复合材料 各向同性 微流控 3D打印 无量纲量 机械工程 光学 纳米技术 机械 光电子学 工程类 计算机科学 物理 计算机视觉
作者
Rodrigo Telles,Arda Kotikian,Guillaume Freychet,Mikhail Zhernenkov,Patryk Wąsik,Benjamin M. Yavitt,Jorge Barrera,Caitlyn C. Cook,Ronald Pindak,Emily Davidson,Jennifer A. Lewis
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:122 (3)
标识
DOI:10.1073/pnas.2414960122
摘要

Liquid crystal elastomers (LCEs) exhibit reversible shape morphing behavior when cycled above their nematic-to-isotropic transition temperature. During extrusion-based 3D printing, LCE inks are subjected to coupled shear and extensional flows that can be harnessed to spatially control the alignment of their nematic director along prescribed print paths. Here, we combine experiment and modeling to elucidate the effects of ink composition, nozzle geometry, and printing parameters on director alignment. From rheological measurements, we quantify the dimensionless Weissenberg number ( Wi ) for the flow field each ink experiences as a function of printing conditions and demonstrate that Wi is a strong predictor of LCE alignment. We find that director alignment in LCE filaments printed through a tapered nozzle varies radially when Wi < 1, while it is uniform when Wi ≫ 1. Based on COMSOL simulations and in operando X-ray measurements, we show that LCE inks printed through nozzles with an internal hyperbolic geometry exhibit a more uniform director alignment for a given Wi compared to those through tapered nozzles. Concomitantly, the stiffness along the print direction and actuation strain of printed LCEs increases substantially under such conditions. By varying Wi during printing through adjusting the flow rate “on the fly”, LCE architectures with uniform composition, yet locally encoded shape morphing transitions can be realized.
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