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【中國智能制造網(wǎng) 技術(shù)前沿】近日，美國達特茅斯學(xué)院的Chenfeng Ke博士及其實驗室用輪烷類化合物開發(fā)出一種超強的智能材料，并利用3D打印技術(shù)，使之成為一種納米級的聚合物晶格立方體。這種4D材料能舉起15倍于自身重量的物體，應(yīng)用前景廣闊。
美國科學(xué)家用3D打印研發(fā)4D材料 制造分子機器
輪烷類化合物是啞鈴狀分子，能夠?qū)⒐?、熱等形式的輸入能量轉(zhuǎn)化為分子運動。換句話說，它們會對外部刺激作出移動反應(yīng)。它們也被稱為納米機器。
美國達特茅斯學(xué)院的Chenfeng Ke博士及其實驗室用輪烷類化合物開發(fā)出一種超強的智能材料。通過3D打印這些納米級分子，他們創(chuàng)造出這一種納米級的聚合物晶格立方體，能舉起15倍自身重量，這相當(dāng)于一個人舉起一輛汽車。
“我們的設(shè)計是基于一個被廣泛研究的分子族——聚輪烷，”Ke博士解釋說，“它們在一個分子軸上有多個環(huán)。在我們的新材料中，這些環(huán)是一種環(huán)狀糖，而分子軸則是一種聚合物。如果我們提供一個外部刺激，如加水，這些原本隨意來回穿梭的環(huán)可以相互粘合，形成一個管狀陣列。當(dāng)這種情況發(fā)生時，分子的剛度會被改變。這就像許多滑動的珠子被穿在一條繩上，從而讓繩子堅固得像一根桿。”
Ke博士及其團隊的目標(biāo)是從數(shù)十億個與水結(jié)合在一起的分子中構(gòu)建一種聚合物。他說，讓輪烷類化合物工作的難點在于，當(dāng)這些納米機器隨機取向時，它們的環(huán)運動相互抵消，從而使其在宏觀尺度上毫無用處。然而，3D打印它們使得研究人員可以控制它們的運動。
“通過整合3D打印技術(shù)，我們能將這些納米級環(huán)的隨機穿梭運動轉(zhuǎn)化為可在宏觀尺度上工作的智能材料，”Ke博士繼續(xù)解釋說，“將分子全部按正確的方向排列可放大其運動。當(dāng)我們加水時，聚輪烷的環(huán)通過氫鍵粘在一起。隨后，管狀陣列以一種更有序的方式堆疊在一起。”
“當(dāng)它們處于這種構(gòu)造時，分子協(xié)調(diào)變得更容易。在這種基礎(chǔ)上，我們成功打印出晶格狀的3D結(jié)構(gòu)。”
一旦結(jié)構(gòu)打印出來，Ke博士的團隊固化它們，然后讓它們工作。由于帶有中空的格子結(jié)構(gòu)，這些3D打印立方體很容易變形和改造。通過使用一種溶劑作為催化劑，團隊能隨意切換分子的環(huán)結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài)，從隨意穿梭到靜止，再重新回到隨意穿梭。外行的說法是，通過添加和去除一種溶劑，他們能讓立方體膨脹，從而舉起一個物體，然后再讓立方體還原到初形狀。
研究人員用這種3D打印立方體舉起了一個1.6毫米的小硬幣，雖然聽起來微不足道，但Ke博士說，這對讓納米機器在宏觀上工作來說卻是一大進步。
“我們希望科學(xué)家能用這種3D打印立方體來進一步開發(fā)智能材料和設(shè)備，”他總結(jié)說，“例如，通過為這種上升運動加入收縮和扭曲，這些分子機器可被用作柔性機器人，來執(zhí)行類似于人類才能完成的復(fù)雜任務(wù)。”
(原標(biāo)題：科學(xué)家3D打印出超強4D智能材料，可舉起比自身重14倍的物體)
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