新方法可以實現(xiàn)3D打印光響應(yīng)水凝膠結(jié)構(gòu)

2024年7月23日，南極熊獲悉，北卡羅來納州立大學研究小組利用金納米棒嵌入水凝膠，并通過3D打印技術(shù)加工，成功制造出在光照作用下可收縮的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在光線消失后又會自動膨脹。由于其可重復(fù)執(zhí)行的特性，這些3D打印結(jié)構(gòu)可作為遠程控制執(zhí)行器使用。

△研究人員找到一種將金納米棒融入水凝膠的方法，從而能夠3D打印光致發(fā)光結(jié)構(gòu)

北卡羅來納州立大學材料科學與工程學教授Joe Tracy指出：“我們知道，可以用3D打印技術(shù)打印出在加熱時會收縮的水凝膠。我們還知道可以在水凝膠中加入金納米棒，使其具有光致伸縮性，也就是說，當它們暴露在光線下時，會以可逆的方式收縮。”

△該研究已發(fā)表在《Polymers》，題目為“3D打印水凝膠作為光熱致動器”（傳送門）

光熱響應(yīng)型水凝膠的制備與應(yīng)用

水凝膠是含有水分的聚合物網(wǎng)絡(luò)。從隱形眼鏡到尿布中使用的吸水材料，都是水凝膠的應(yīng)用方向。從技術(shù)上講，研究人員并沒有用3D打印機直接打印水凝膠。相反，他們打印了一種溶液，其中含有金納米棒和制造水凝膠所需的所有成分。

馬格德堡奧托·馮·蓋里克大學有機化學系主任Julian Thiele說：“當這種打印溶液暴露在光線下時，溶液中的聚合物就會形成交聯(lián)分子結(jié)構(gòu)。這樣溶液就變成了水凝膠，被截留的金納米棒分布在整個材料中。”

由于從3D打印機出來的預(yù)水凝膠溶液粘度很低，因此不能將溶液打印到普通基底上，否則就會形成一灘水而不是3D結(jié)構(gòu)。

△熱敏性水凝膠采用3D打印技術(shù)，嵌入金納米棒(GNR)，可通過光熱加熱改變形狀

為了解決這一問題，研究人員將溶液打印成半透明的明膠微粒水漿。打印機噴嘴能夠穿透明膠漿，按照所需形狀進行溶液打印。由于明膠半透明，光線能夠穿透基質(zhì)，將溶液轉(zhuǎn)化為固體水凝膠。完成后，整個模型被置入溫水中，溶解明膠，留下三維水凝膠結(jié)構(gòu)。

當這些水凝膠結(jié)構(gòu)暴露在光線下時，內(nèi)置的金納米棒將光線轉(zhuǎn)化為熱量。這導(dǎo)致水凝膠中的聚合物收縮，擠出水分，使結(jié)構(gòu)縮小。然而，一旦光源移開，聚合物冷卻并重新開始吸水，使水凝膠結(jié)構(gòu)恢復(fù)原來的尺寸。

這種技術(shù)的優(yōu)點在于，它能夠利用金納米棒的光熱效應(yīng)實現(xiàn)水凝膠結(jié)構(gòu)的可控變形，為制造復(fù)雜形狀和可響應(yīng)環(huán)境變化的智能材料打印提供了新的途徑。

△材料設(shè)計和制造及驅(qū)動實驗方法的示意圖

論文第一作者Melanie Ghelardini說："我們已經(jīng)在遇熱收縮的水凝膠方面做了大量工作。我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，當水凝膠暴露在光線下時，也能做同樣的事情，同時還能對這種材料進行3D打印。這意味著以前需要直接加熱的應(yīng)用，現(xiàn)在可以通過照明遠程觸發(fā)�！�

Thiele補充道："水凝膠結(jié)構(gòu)的3D打印取代了傳統(tǒng)的鑄模，為設(shè)計提供了幾乎無限的自由度。而且，在我們的光致伸縮材料在光照觸發(fā)下收縮和膨脹的過程中，它還允許預(yù)編程明顯的運動�！�

總的來說，此技術(shù)不僅在科研領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，還可能對日常生活中的可穿戴設(shè)備、智能傳感器和醫(yī)療器械等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。未來的研究可以進一步優(yōu)化材料的光熱響應(yīng)特性，擴展其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。