北卡羅來納州立大學(xué)開發(fā)3D打印光激活水凝膠致動器

2024年7月28日，南極熊獲悉，來自北卡羅來納州立大學(xué)的一個國際研究團(tuán)隊(duì)已將金納米棒嵌入水凝膠中，該水凝膠可通過 3D 打印進(jìn)行加工，從而形成在光照下收縮并在光照消失時再次膨脹的結(jié)構(gòu)。這種可逆的膨脹和收縮可以重復(fù)多次，從而使 3D 打印結(jié)構(gòu)可以用作遠(yuǎn)程控制的致動器。

相關(guān)研究以題為“3D 打印水凝膠作為光熱致動器/ 3D-Printed Hydrogels as Photothermal Actuators”的論文發(fā)表在開放獲取期刊《Polymers》上。該論文由北卡羅來納州立大學(xué)研究生 Jameson Hankwitz、德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所的 Martin Geisler、Niclas Weigel、Nicolas Hauck 和 Jonas Schubert 以及德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所和德累斯頓工業(yè)大學(xué)的 Andreas Fery 共同撰寫。

論文鏈接：https://www.mdpi.com/2073-4360/16/14/2032#

該論文的共同通訊作者、北卡羅來納州立大學(xué)材料科學(xué)與工程教授喬·特雷西 (Joe Tracy) 說道：“我們知道可以 3D 打印出受熱時會收縮的水凝膠。我們還知道可以將金納米棒加入水凝膠中，使其具有光響應(yīng)性，這意味著它們在暴露于光線下時會以可逆的方式收縮。我們希望找到一種將金納米棒加入水凝膠中的方法，以便我們能夠 3D 打印出光響應(yīng)結(jié)構(gòu)?！?/div>

論文概述

水凝膠是一種含有水的聚合物網(wǎng)絡(luò)，常見于隱形眼鏡和尿布等吸水材料物品中。研究人員并沒有從技術(shù)上 3D 打印水凝膠，而是打印了一種含有金納米棒和制造水凝膠所需所有成分的溶液。

論文共同通訊作者、馬格德堡奧托馮格里克大學(xué)有機(jī)化學(xué)系主任朱利安蒂勒 (JulianThiele) 說道：“當(dāng)這種打印溶液暴露在光線下時，溶液中的聚合物會形成交聯(lián)分子結(jié)構(gòu)。這會將溶液變成水凝膠，捕獲的金納米棒會分布在整個材料中?！?/div>

3D 打印的預(yù)水凝膠溶液粘度非常低，無法打印到普通基材上，因?yàn)檫@會導(dǎo)致形成一灘水，而不是 3D 結(jié)構(gòu)。為了解決這個問題，研究人員將溶液打印到水中的明膠微粒半透明漿液中。打印機(jī)噴嘴穿透明膠漿液，將溶液打印成所需形狀。由于明膠是半透明的，光線可以穿透基質(zhì)，將溶液轉(zhuǎn)化為固體水凝膠。然后將整個結(jié)構(gòu)放入溫水中，融化明膠，留下 3D 水凝膠結(jié)構(gòu)。

當(dāng)這些水凝膠結(jié)構(gòu)暴露在光線下時，嵌入的金納米棒會將光轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致水凝膠中的聚合物收縮，將水?dāng)D出，使結(jié)構(gòu)收縮。當(dāng)光線消失時，聚合物會冷卻并重新吸收水分，使水凝膠結(jié)構(gòu)膨脹回其原始尺寸。

圖 1.材料設(shè)計和制造及驅(qū)動實(shí)驗(yàn)方法的示意圖。

圖 2.( a ) 水性 CTAB-GNR 和 BSA-GNR 的消光光譜，以峰值消光度 1 為標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)附 BSA-GNR 的TEM 圖像；( b ) 紫外線照射下乙?；髂z犧牲支持基質(zhì)內(nèi)的 DIW；( c ) 用熒光素染色的未負(fù)載結(jié)構(gòu)的共聚焦熒光顯微鏡圖像；( d ) GNR 負(fù)載結(jié)構(gòu) (OD 10) 的明視野顯微鏡圖像，其中中心的黑點(diǎn)是氣泡。

圖 3.對于裝有 GNR 的 OD 2.5、5、10 和 20 樣品，在一次對流加熱循環(huán)和三次光熱加熱循環(huán)過程中的收縮和再膨脹行為。（a）頂部面板中循環(huán)期間的面積測量值和底部面板中收縮結(jié)構(gòu)的面積除以膨脹結(jié)構(gòu)的面積突出了收縮行為的細(xì)微差異。為了評估測量中的誤差，在第二次光熱加熱循環(huán)中對處于膨脹和收縮狀態(tài)的 OD 10 樣品的面積進(jìn)行了 10 次測量，從中計算出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為 0.019 和 0.0039 cm 2。這些誤差傳遞到 OD 10 樣品第二次光熱加熱循環(huán)中收縮/膨脹面積比率的誤差為 0.45%。這些誤差代表了其他循環(huán)和樣品。 ( c )對流加熱和 ( d ) 光熱加熱后立即拍攝的 (b) 膨脹狀態(tài)和收縮狀態(tài)的照片，其中 ( c )左側(cè)面板顯示了常用比例尺 (2 毫米) 。 ( e ) 光熱加熱后立即從熱成像相機(jī)拍攝的圖像，對應(yīng)于 ( d )。 注意：對 ( b - d ) 面板進(jìn)行了校正，以去除照片邊緣標(biāo)尺上的刻度標(biāo)記。圖 S7中顯示了這些面板的未校正版本。

圖 4.( a - c ) OD 20 樣品的照片，該樣品在連續(xù)光熱加熱循環(huán)后重新膨脹時發(fā)生向內(nèi)彎曲。對于每個循環(huán)，左圖顯示彎曲狀態(tài)的圖像，右圖顯示完全解開彎曲并重新膨脹后的圖像。這些圖像是從電影 S6中截取的快照。

該論文的第一作者、北卡羅來納州立大學(xué)前博士生Melanie Ghelardini說道：“人們已經(jīng)對受熱收縮的水凝膠進(jìn)行了大量研究。我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，當(dāng)水凝膠暴露在光線下時，你可以做同樣的事情，同時還可以 3D 打印這種材料。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(yuǎn)程觸發(fā)?！?/div>

Thiele 表示：“與使用傳統(tǒng)的模具鑄造相比，3D 打印水凝膠結(jié)構(gòu)提供了幾乎無限的設(shè)計自由度。并且它允許在光觸發(fā)的光敏材料收縮和擴(kuò)張過程中預(yù)先編程獨(dú)特的運(yùn)動?！?/div>

這項(xiàng)研究得到了美國國家科學(xué)基金會（撥款編號 1803785）、德國研究基金會 (DFG) 研究培訓(xùn)學(xué)校 1865：基于水凝膠的微系統(tǒng)和 2767（項(xiàng)目編號 451785257）、亞歷山大·馮·洪堡基金會、德累斯頓智能材料中心以及歐盟“地平線 2020”研究與創(chuàng)新計劃（撥款編號 852065）的支持。