新方法可以實現3D打印光響應水凝膠結構

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。由于其可重復執行的特性，這些3D打印結構可作為遠程控制執行器使用。

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。”

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。

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。

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

論文第一作者Melanie Ghelardini說："我們已經在遇熱收縮的水凝膠方面做了大量工作。我們現在已經證明，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，現在可以通過照明遠程觸發。”

Thiele補充道："水凝膠結構的3D打印取代了傳統的鑄模，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、智能傳感器和醫療器械等領域產生深遠影響。未來的研究可以進一步優化材料的光熱響應特性，擴展其在更廣泛領域的應用潛力。

來源：南極熊