北卡羅來納州立大學開發(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的一個國際研究團隊已將金納米棒嵌入水凝膠中，該水凝膠可通過 3D 打印進行加工，從而形成在光照下收縮并在光照消失時再次膨脹的結構。這種可逆的膨脹和收縮可以重復多次，從而使 3D 打印結構可以用作遠程控制的致動器。

相關研究以題為“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材料科學與工程教授喬·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 打印出光響應結構�！�

論文概述

水凝膠是一種含有水的聚合物網(wǎng)絡，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有機化學系主任朱利安蒂勒 (JulianThiele) 說道：“當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)分子結構。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�！�

3D 打印的預水凝膠溶液粘度非常低，無法打印到普通基材上，因為這會導致形成一灘水，而不是 3D 結構。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，將溶液轉化為固體水凝膠。然后將整個結構放入溫水中，融化明膠，留下 3D 水凝膠結構。

當這些水凝膠結構暴露在光線下時，嵌入的金納米棒會將光轉化為熱量，導致水凝膠中的聚合物收縮，將水擠出，使結構收縮。當光線消失時，聚合物會冷卻并重新吸收水分，使水凝膠結構膨脹回其原始尺寸。

圖 1.材料設計和制造及驅動實驗方法的示意圖。

圖 2.( a ) 水性 CTAB-GNR 和 BSA-GNR 的消光光譜，以峰值消光度 1 為標準，內附 BSA-GNR 的TEM 圖像；( b ) 紫外線照射下乙酰化明膠犧牲支持基質內的 DIW；( c ) 用熒光素染色的未負載結構的共聚焦熒光顯微鏡圖像；( d ) GNR 負載結構 (OD 10) 的明視野顯微鏡圖像，其中中心的黑點是氣泡。

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構的面積除以膨脹結構的面積突出了收縮行為的細微差異。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 樣品的面積進行了 10 次測量，從中計算出相應的標準差為 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拍攝的圖像，對應于 ( d )。 注意：對 ( b - d ) 面板進行了校正，以去除照片邊緣標尺上的刻度標記。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前博士生Melanie Ghelardini說道：“人們已經(jīng)對受熱收縮的水凝膠進行了大量研究。我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，當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用現(xiàn)在可以通過照明遠程觸發(fā)�！�

Thiele 表示：“與使用傳統(tǒng)的模具鑄造相比，3D 打印水凝膠結構提供了幾乎無限的設計自由度。并且它允許在光觸發(fā)的光敏材料收縮和擴張過程中預先編程獨特的運動。”

這項研究得到了美國國家科學基金會（撥款編號 1803785）、德國研究基金會 (DFG) 研究培訓學校 1865：基于水凝膠的微系統(tǒng)和 2767（項目編號 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。