新方法可以實現(xiàn)3D打印光響應水凝膠結構

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打印技術加工,，成功制造出在光照作用下可收縮的結構,。這些結構在光線消失后又會自動膨脹。由于其可重復執(zhí)行的特性,，這些3D打印結構可作為遠程控制執(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)光結構

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）

光熱響應型水凝膠的制備與應用

水凝膠是含有水分的聚合物網(wǎng)絡。從隱形眼鏡到尿布中使用的吸水材料,，都是水凝膠的應用方向,。從技術上講，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)分子結構。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結構。

△熱敏性水凝膠采用3D打印技術,，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,，將溶液轉化為固體水凝膠。完成后,，整個模型被置入溫水中,，溶解明膠，留下三維水凝膠結構,。

當這些水凝膠結構暴露在光線下時,，內置的金納米棒將光線轉化為熱量。這導致水凝膠中的聚合物收縮,，擠出水分,，使結構縮小。然而,，一旦光源移開,，聚合物冷卻并重新開始吸水，使水凝膠結構恢復原來的尺寸,。

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

△材料設計和制造及驅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用,，現(xiàn)在可以通過照明遠程觸發(fā),。”

Thiele補充道："水凝膠結構的3D打印取代了傳統(tǒng)的鑄模,，為設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,，它還允許預編程明顯的運動,。”

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