一个国际研究小组已将金纳米棒嵌入到可以使用3D 打印进行加工的水凝胶中。这些结构在暴露在光线下时会收缩，一旦光线消失就会再次膨胀。这种可逆收缩和膨胀将 3D 打印结构转变为可远程控制的执行器。
北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授、该研究的合著者乔·特雷西在该大学的一份声明中表示：
“我们知道可以打印加热时收缩的水凝胶。我们知道金纳米棒可以融入水凝胶中，使其对光敏感。我们的目标是开发一种打印这些光敏结构的方法。”
该图像显示了 3D 打印的水凝胶结构，该结构在光照下会改变尺寸。左侧为展开状态的结构，右侧为收缩状态的结构。这项研究使得远程控制执行器能够用于各种应用。 （图片©北卡罗来纳州立大学）
水凝胶的功能和制备
水凝胶是含有水的聚合物。例子包括隐形眼镜和尿布中的吸收材料。从技术上讲，研究人员并不是打印成品水凝胶，而是打印包含金纳米棒和制造水凝胶的所有必要成分的溶液。
马格德堡奥托·冯·格里克大学有机化学教授、该研究的合著者朱利安·蒂勒 (Julian Thiele) 表示：
“当这种印刷溶液暴露在光线下时，聚合物会形成交联分子结构。这会将溶液变成水凝胶，金纳米棒分散在整个材料中。”
由于预水凝胶溶液的粘度非常低，因此无法在不铺展的情况下将其印刷在普通基材上。为了解决这个问题，研究人员将溶液打印成透明的明胶悬浮液。光可以穿透该基质并将溶液转化为固体水凝胶。然后将整个物体浸入温水中，使明胶融化并留下 3D 水凝胶结构。
应用领域和潜力
当暴露在光线下时，嵌入的金纳米棒将光转化为热能。这会导致水凝胶中的聚合物收缩，将水推出并收缩结构。如果移除光线，聚合物就会冷却并再次吸水，导致水凝胶恢复到原来的尺寸。
该研究的主要作者、北卡罗来纳州立大学前博士生 Melanie Ghelardini 解释道：
“在加热时收缩的水凝胶方面已经做了很多工作。我们现在已经证明，当暴露在光线下时，同样的情况也是可能的，并且这种材料是可 3D 打印的。以前需要直接热量输入的应用现在可以使用照明远程触发。”
蒂勒补充道：
“水凝胶结构的 3D 打印提供了几乎无限的设计可能性。它允许在我们的光敏材料的光控收缩和膨胀过程中预先编程特定的运动。”
该研究得到了美国国家科学基金会和德国研究基金会等机构的支持。研究结果发表在《Polymers》杂志上，标题为“3D打印水凝胶作为光热致动器”。
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