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发布时间:2024-07-23
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大学研究小组利用金纳米棒嵌入水凝胶,并通过3D打印技术加工,成功制造出在光照作用下可收缩的结构。这些结构在光线消失后又会自动膨胀。由于其可重复执行的特性,这些3D打印结构可作为远程控制执行器使用。
![](http://www.nanjixiong.com/data/attachment/forum/202407/23/112749m2xxa2p8xhh3oi83.jpg)
:“我们知道,可以用3D打印技术打印出在加热时会收缩的水凝胶。我们还知道可以在水凝胶中加入金纳米棒,使其具有光致伸缩性,也就是说,当它们暴露在光线下时,会以可逆的方式收缩。”
![](http://www.nanjixiong.com/data/attachment/forum/202407/23/112749bawqd1211quwq2lx.jpg)
水凝胶是含有水分的聚合物网络。从隐形眼镜到尿布中使用的吸水材料,都是水凝胶的应用方向。从技术上讲,研究人员并没有用3D打印机直接打印水凝胶。相反,他们打印了一种溶液,其中含有金纳米棒和制造水凝胶所需的所有成分。
马格德堡奥托·冯·盖里克大学有机化学系主任Julian Thiele说:“当这种打印溶液暴露在光线下时,溶液中的聚合物就会形成交联分子结构。这样溶液就变成了水凝胶,被截留的金纳米棒分布在整个材料中。”
由于从3D打印机出来的预水凝胶溶液粘度很低,因此不能将溶液打印到普通基底上,否则就会形成一滩水而不是3D结构。
![](http://www.nanjixiong.com/data/attachment/forum/202407/23/112749thuw05o2hj0how8a.jpg)
为了解决这一问题,研究人员将溶液打印成半透明的明胶微粒水浆。打印机喷嘴能够穿透明胶浆,按照所需形状进行溶液打印。由于明胶半透明,光线能够穿透基质,将溶液转化为固体水凝胶。完成后,整个模型被置入温水中,溶解明胶,留下三维水凝胶结构。
当这些水凝胶结构暴露在光线下时,内置的金纳米棒将光线转化为热量。这导致水凝胶中的聚合物收缩,挤出水分,使结构缩小。然而,一旦光源移开,聚合物冷却并重新开始吸水,使水凝胶结构恢复原来的尺寸。
这种技术的优点在于,它能够利用金纳米棒的光热效应实现水凝胶结构的可控变形,为制造复杂形状和可响应新的途径。
![](http://www.nanjixiong.com/data/attachment/forum/202407/23/112750dx12a5xhqiga1ai1.jpg)
论文第一作者Melanie Ghelardini说:"我们已经在遇热收缩的水凝胶方面做了大量工作。我们现在已经证明,当水凝胶暴露在光线下时,也能做同样的事情,同时还能对这种材料进行3D打印。这意味着以前需要直接加热的应用,现在可以通过照明远程触发。”
Thiele补充道:"水凝胶结构的3D打印取代了传统的铸模,为设计提供了几乎无限的自由度。而且,在我们的光致伸缩材料在光照触发下收缩和膨胀的过程中,它还允许预编程明显的运动。”
总的来说,此技术不仅在科研领域有广泛应用,还可能对日常生活中的可穿戴设备、智能传感器和医疗器械等领域产生深远影响。未来的研究可以进一步优化材料的光热响应特性,扩展其在更广泛领域的应用潜力。
![](http://www.nanjixiong.com/data/attachment/forum/202407/23/112749m2xxa2p8xhh3oi83.jpg)
△研究人员找到一种将金纳米棒融入水凝胶的方法,从而能够3D打印光致发光结构
:“我们知道,可以用3D打印技术打印出在加热时会收缩的水凝胶。我们还知道可以在水凝胶中加入金纳米棒,使其具有光致伸缩性,也就是说,当它们暴露在光线下时,会以可逆的方式收缩。”
![](http://www.nanjixiong.com/data/attachment/forum/202407/23/112749bawqd1211quwq2lx.jpg)
水凝胶是含有水分的聚合物网络。从隐形眼镜到尿布中使用的吸水材料,都是水凝胶的应用方向。从技术上讲,研究人员并没有用3D打印机直接打印水凝胶。相反,他们打印了一种溶液,其中含有金纳米棒和制造水凝胶所需的所有成分。
马格德堡奥托·冯·盖里克大学有机化学系主任Julian Thiele说:“当这种打印溶液暴露在光线下时,溶液中的聚合物就会形成交联分子结构。这样溶液就变成了水凝胶,被截留的金纳米棒分布在整个材料中。”
由于从3D打印机出来的预水凝胶溶液粘度很低,因此不能将溶液打印到普通基底上,否则就会形成一滩水而不是3D结构。
![](http://www.nanjixiong.com/data/attachment/forum/202407/23/112749thuw05o2hj0how8a.jpg)
△热敏性水凝胶采用3D打印技术,嵌入金纳米棒(GNR),可通过光热加热改变形状
为了解决这一问题,研究人员将溶液打印成半透明的明胶微粒水浆。打印机喷嘴能够穿透明胶浆,按照所需形状进行溶液打印。由于明胶半透明,光线能够穿透基质,将溶液转化为固体水凝胶。完成后,整个模型被置入温水中,溶解明胶,留下三维水凝胶结构。
当这些水凝胶结构暴露在光线下时,内置的金纳米棒将光线转化为热量。这导致水凝胶中的聚合物收缩,挤出水分,使结构缩小。然而,一旦光源移开,聚合物冷却并重新开始吸水,使水凝胶结构恢复原来的尺寸。
这种技术的优点在于,它能够利用金纳米棒的光热效应实现水凝胶结构的可控变形,为制造复杂形状和可响应新的途径。
![](http://www.nanjixiong.com/data/attachment/forum/202407/23/112750dx12a5xhqiga1ai1.jpg)
△材料设计和制造及驱动实验方法的示意图
论文第一作者Melanie Ghelardini说:"我们已经在遇热收缩的水凝胶方面做了大量工作。我们现在已经证明,当水凝胶暴露在光线下时,也能做同样的事情,同时还能对这种材料进行3D打印。这意味着以前需要直接加热的应用,现在可以通过照明远程触发。”
Thiele补充道:"水凝胶结构的3D打印取代了传统的铸模,为设计提供了几乎无限的自由度。而且,在我们的光致伸缩材料在光照触发下收缩和膨胀的过程中,它还允许预编程明显的运动。”
总的来说,此技术不仅在科研领域有广泛应用,还可能对日常生活中的可穿戴设备、智能传感器和医疗器械等领域产生深远影响。未来的研究可以进一步优化材料的光热响应特性,扩展其在更广泛领域的应用潜力。