新方法可以实现3D打印光响应水凝胶结构

2024年7月23日，南极熊获悉，北卡罗来纳州立大学研究小组利用金纳米棒嵌入水凝胶，并通过3D打印技术加工，成功制造出在光照作用下可收缩的结构。这些结构在光线消失后又会自动膨胀。由于其可重复执行的特性，这些3D打印结构可作为远程控制执行器使用。

△研究人员找到一种将金纳米棒融入水凝胶的方法，从而能够3D打印光致发光结构

北卡罗来纳州立大学材料科学与工程学教授Joe Tracy指出：“我们知道，可以用3D打印技术打印出在加热时会收缩的水凝胶。我们还知道可以在水凝胶中加入金纳米棒，使其具有光致伸缩性，也就是说，当它们暴露在光线下时，会以可逆的方式收缩。”

△该研究已发表在《Polymers》，题目为“3D打印水凝胶作为光热致动器”（传送门）

光热响应型水凝胶的制备与应用

水凝胶是含有水分的聚合物网络。从隐形眼镜到尿布中使用的吸水材料，都是水凝胶的应用方向。从技术上讲，研究人员并没有用3D打印机直接打印水凝胶。相反，他们打印了一种溶液，其中含有金纳米棒和制造水凝胶所需的所有成分。

马格德堡奥托·冯·盖里克大学有机化学系主任Julian Thiele说：“当这种打印溶液暴露在光线下时，溶液中的聚合物就会形成交联分子结构。这样溶液就变成了水凝胶，被截留的金纳米棒分布在整个材料中。”

由于从3D打印机出来的预水凝胶溶液粘度很低，因此不能将溶液打印到普通基底上，否则就会形成一滩水而不是3D结构。

△热敏性水凝胶采用3D打印技术，嵌入金纳米棒(GNR)，可通过光热加热改变形状

为了解决这一问题，研究人员将溶液打印成半透明的明胶微粒水浆。打印机喷嘴能够穿透明胶浆，按照所需形状进行溶液打印。由于明胶半透明，光线能够穿透基质，将溶液转化为固体水凝胶。完成后，整个模型被置入温水中，溶解明胶，留下三维水凝胶结构。

当这些水凝胶结构暴露在光线下时，内置的金纳米棒将光线转化为热量。这导致水凝胶中的聚合物收缩，挤出水分，使结构缩小。然而，一旦光源移开，聚合物冷却并重新开始吸水，使水凝胶结构恢复原来的尺寸。

这种技术的优点在于，它能够利用金纳米棒的光热效应实现水凝胶结构的可控变形，为制造复杂形状和可响应环境变化的智能材料打印提供了新的途径。

△材料设计和制造及驱动实验方法的示意图

论文第一作者Melanie Ghelardini说："我们已经在遇热收缩的水凝胶方面做了大量工作。我们现在已经证明，当水凝胶暴露在光线下时，也能做同样的事情，同时还能对这种材料进行3D打印。这意味着以前需要直接加热的应用，现在可以通过照明远程触发。”

Thiele补充道："水凝胶结构的3D打印取代了传统的铸模，为设计提供了几乎无限的自由度。而且，在我们的光致伸缩材料在光照触发下收缩和膨胀的过程中，它还允许预编程明显的运动。”

总的来说，此技术不仅在科研领域有广泛应用，还可能对日常生活中的可穿戴设备、智能传感器和医疗器械等领域产生深远影响。未来的研究可以进一步优化材料的光热响应特性，扩展其在更广泛领域的应用潜力。