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《中美研究人员开发出一种基于水凝胶的“墨水”用于创建4D功能结构》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2023-10-15

  • 据phys.org网10月7日消息，中国武汉大学和美国普渡大学的研究人员开发出一种基于水凝胶的“墨水”用于3D纳米打印，再采用“自由空间纳米打印”（free-space nanoprinting）方法创建可响应外部刺激的4D功能结构。该方法促进自由基的快速聚集和固化，同时提高材料对激光能量的敏感性，从而创造出高精度、高自由度的3D结构。研究人员开发出水凝胶“墨水”作为飞秒激光写入时通过双光子吸收激活的光开关，凝胶中的自由基吸收来自飞秒激光的光子能，当自由基在分子中形成结合能时，将长链分子连接到不同的官能团上以实现各种功能。研究人员利用该方法制造出基于4D纳米结构的仿生肌肉模型，这些模型具有可调节的机械性能和优异的生物相容性，可响应电信号，为生物医学领域的多种应用提供了可能性。相关研究成果发表在《科学·进展》期刊上。


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  • 原文来源：https://phys.org/news/2023-10-free-space-nanoprinting-optical-limits-4d.html
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相关报告

  • 《研究人员开发了一种3D打印石墨烯气凝胶新工艺》
    • 来源专题：纳米科技
    • 编译者：郭文姣
    • 发布时间：2021-04-25
    • AZO于2021年4月15日发布关于石墨烯的内容，文章指出石墨烯在去除水中污染物方面做得很好，但这种神奇的材料尚未成为商业上可行的用途。这种情况可能正在改变。 在最近的一项研究中，布法罗大学(University at Buffalo)的工程师们报告了一种3D打印石墨烯气凝胶的新工艺，他们称该工艺克服了水处理的两个关键障碍——可扩展性和创造出一种足够稳定、可以重复使用的材料版本。 “我们的目标是安全地去除水中的污染物，而不释放出任何有问题的化学残留物，”研究合著者、乌兰巴托大学工程与应用科学学院环境工程助理教授Nirupam Aich博士说。“我们创造的气凝胶在水处理系统中保持其结构，它们可以应用于各种水处理应用。” 这项名为“去除水污染的3D打印石墨烯-生物聚合物气凝胶:一个概念证明”的研究发表在《环境科学:纳米》杂志的新兴研究者系列上。阿维德·马苏德(Arvid Masud)博士是第一作者，他以前是Aich实验室的学生;周驰博士，联合作者，UB工业与系统工程副教授。 气凝胶是一种轻而多孔的固体，它是用气体取代凝胶中的液体而形成的，这样得到的固体与原来的固体大小相同。它们在结构配置上类似于聚苯乙烯泡沫塑料:多孔性强，重量轻，但又强又有弹性。 石墨烯是一种由单质碳组成的纳米材料，它由一层排列在重复六角形晶格中的碳原子组成。 为了创造出合适的石墨烯油墨稠度，研究人员将目光投向了大自然。他们添加了两种仿生聚合物——聚多巴胺(一种合成材料，通常被称为PDA，类似于贻贝的黏附分泌物)和牛血清白蛋白(一种来自奶牛的蛋白质)。 在测试中，重新配置的气凝胶去除了某些重金属，如铅和铬，这些重金属困扰着全国的饮用水系统。它还能去除阳离子亚甲基蓝、阴离子埃文斯蓝等有机染料，以及正己烷、庚烷、甲苯等有机溶剂。 为了证明气凝胶的再利用潜力，研究人员对有机溶剂进行了10次测试。每次都能去除100%的溶剂。研究人员还报告说，气凝胶在第三个循环后捕获亚甲基蓝的能力下降了2-20%。 Aich说，气凝胶也可以按比例放大，因为与纳米薄片不同，气凝胶可以打印更大的尺寸。他说，这消除了以前大规模生产中固有的问题，并使该工艺可用于大型设施，如污水处理厂。他补充说，气凝胶可以从水中去除，并在其他地方重复使用，而且它们不会在水中留下任何残留物。 Aich是UB和匹兹堡大学合作的一部分，由UB化学教授戴安娜·阿加博士领导，寻找方法和工具来降解每氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)，有毒物质如此难以分解，它们被称为“永恒的化学物质”。Aich注意到这与他的3D气凝胶工作的相似之处，他希望这两个项目的结果可以结合在一起，创造出更有效的去除水媒污染物的方法。 “我们不仅可以使用这些气凝胶来包含石墨烯颗粒，还可以使用纳米金属颗粒作为催化剂，”Aich说。“未来的目标是让纳米金属颗粒嵌入到气凝胶的内壁和表面，它们不仅能够降解或摧毁生物污染物，还能降解化学污染物。” Aich、Chi和Masud持有该研究中描述的石墨烯气凝胶的一项正在申请中的专利，他们正在寻找工业合作伙伴将这一工艺商业化。
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  • 《达特茅斯学院：一种新型3D打印智能墨水的研发》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-04-09
    • 达特茅斯学院的研究人员近期开发了一种智能墨水，其可改变经3D打印技术打印成型后物体的形状及颜色。而这一智能墨水的研发有望为3D打印增添更多功能，而且可能为新一代印刷材料铺平道路。 达特茅斯化学助理教授Chenfeng Ke说：“这项技术使得3D打印的物体迎来了其技术上的春天，传统的3D打印中许多3D打印结构只能表现出其外部形状，不能反映材料分子的性质，但达特茅斯学院研发的这种油墨将功能分子带到了3D打印领域，从而使得我们可以打印各种用途的智能对象。” 许多3D打印协议依赖光固化树脂，并导致硬塑料物体具有刚性，而且其分子结构是具有随机性的。然而，新工艺使设计师能够在材料中保留特定的分子对齐和功能，并可以将这些结构进行转换从而用于3D打印领域。 研究人员通过在打印前和打印后的过程中结合使用新的技术，使得印刷品的尺寸减少到其原始尺寸的1％，其分辨率则提高到原来的10倍。而且3D打印的物体甚至可以通过使用超分子的柱子来不断地扩大和缩小尺寸。借助荧光跟踪器，可以使物体响应外部刺激（如光线）而改变颜色。 在打印后，能够减少对象的大小尺寸，同时可保留功能特性和高的分辨率，这使得廉价的打印机能够打印出高分辨率的物体，而在之前这些高分辨率的物体皆是由更复杂的打印机才能打印出来的。所以该项技术的研发，大大的降低了3D打印物体的成本。 根据这项被德国化学学会杂志Angewandte Chemie选为贵宾论文的研究报告表明，智能墨水可以以粗糙的300微米分辨率进行打印，但最终所得到的产品则是具有更精细的30微米线宽，大大提高了产品的精度。 Ke说：“这个过程可以使用1000美元的打印机来替代以前用10万美元的打印机来打印的较高精度物品，而这项技术关键就在于其具有可扩展性，适应性强，可以显着降低成本的优点。” 为了创造智能墨水，研究人员使用了一种基于聚合物的“载体”，将智能分子系统集成到印刷凝胶中，并允许将其功能从纳米级转变为宏观级。 虽然大多数材料在3D打印过程中易于硬化，但新工艺引入了一系列后期打印反应，即将活性成分锁定在一起，使得在整个打印过程中油墨可以保持分子结构的形式。 该项研究的结果表明印刷物体的分子设计被编程为自我转换：如果您提供化学燃料，它的外部形状尺寸会发生改变。而如果你照亮它（即其受到外部刺激时），它可以改变颜色。 Ke说：“这种油墨的特性是前所未有的，我们不仅可以3D打印物体，还可以让这些物体中的分子重新排列，以便在打印后达到肉眼可见的水平，这种发展为智能材料开发提供了巨大的潜能。” 虽然研究人员认为这项技术距离可以动态改变配置的智能3D系统还很遥远，但该技术的当前用途可能是打印精密过滤器和存储设备。随着时间的推移，研究人员预计该过程可能会导致一类新的宏观3D打印物体，从而用于输送药物或生成高分辨率骨替代物。 根据涉及到本研究的研究团队表示：“我们相信这种新方法将启动基于小分子的3D打印材料的开发，并大大加速智能材料和器件的开发，而且可能会超出我们目前的把握，能够对环境刺激的进行反应从而完成更为复杂的任务。” 就目前而言，研究人员预计智能油墨将对材料化学家，3D打印工程师以及其他有兴趣将功能材料引入3D打印的人员是有用的。
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