智能海藻碳材料對(duì)環(huán)境的反應(yīng)

由布朗大學(xué)開(kāi)發(fā)的海藻和石墨烯制成的復(fù)合材料非常堅(jiān)固，可以根據(jù)其環(huán)境進(jìn)行改變。布朗大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)將海藻衍生的藻酸鹽與氧化石墨烯結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出一種耐用的復(fù)合材料，可以動(dòng)態(tài)響應(yīng)其環(huán)境。他們?cè)诓祭蚀髮W(xué)的新聞發(fā)布會(huì)上表示，這種新的混合材料可以用于設(shè)計(jì)能夠響應(yīng)外部刺激的其他“智能”材料，使其非常適合下一代生物醫(yī)學(xué)，環(huán)境和海洋應(yīng)用。

科學(xué)家已經(jīng)使用藻酸鹽衍生自海藻生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，但由材料制成的水凝膠的一個(gè)限制因素是它們非常脆弱，Thomas Valentin博士說(shuō)。布朗工程學(xué)院的學(xué)生，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。“他們傾向于在機(jī)械載荷或低鹽溶液中分崩離析，”他在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)。Valentin說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)的工作是通過(guò)使用多功能的碳基材料石墨烯來(lái)加強(qiáng)材料，使其更耐用于各種應(yīng)用。“我們展示的是通過(guò)包括氧化石墨烯納米片，我們可以使這些結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)健，”他說(shuō)。

Atlantic Design&Manufacturing是東海岸領(lǐng)先的設(shè)計(jì)工程師貿(mào)易展，提供最新的3D打印，自動(dòng)化和CAD / CAM軟件，包括FedEx，GE Appliances，Procter&Gamble以及其他數(shù)百種軟件。研究人員使用稱(chēng)為立體光刻技術(shù)的3D打印方法來(lái)開(kāi)發(fā)材料。該技術(shù)使用由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制的紫外激光來(lái)追蹤光活性聚合物溶液表面上的圖案 - 在這種情況下，其是與氧化石墨烯片混合的藻酸鈉。

在此過(guò)程中，光使聚合物連接在一起，從溶液中形成固體3D結(jié)構(gòu)。重復(fù)跟蹤過(guò)程，直到分層效果從下向上構(gòu)建整個(gè)對(duì)象。

響應(yīng)材料研究人員表示，該技術(shù)的另一個(gè)方面是導(dǎo)致材料能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)外部刺激的原因。這方面是海藻酸鈉聚合物通過(guò)離子鍵的連接，離子鍵足夠強(qiáng)以將材料保持在一起，但可以通過(guò)某些化學(xué)處理來(lái)破壞。

據(jù)研究人員在其他實(shí)驗(yàn)中所證實(shí)的這種所謂的“離子交聯(lián)”可用于制造藻酸鹽材料，這種材料可根據(jù)需要降解，當(dāng)用化學(xué)物質(zhì)處理后迅速溶解，從而掃除材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的離子，他們說(shuō)。研究人員在Carbon雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們工作的論文。

在最近的一項(xiàng)研究中，研究人員還觀察了氧化石墨烯如何改變?cè)逅猁}結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，證明新復(fù)合材料如何制成兩倍于單獨(dú)藻酸鹽的硬度，并且通過(guò)開(kāi)裂更能抵抗失效，Ian Y. Wong說(shuō)。布朗工程助理教授。

“添加氧化石墨烯使藻酸鹽水凝膠與氫鍵結(jié)合，”他說(shuō)。“我們認(rèn)為抗裂性是由于裂縫必須繞過(guò)散布的石墨烯片，而不是能夠通過(guò)均勻的藻酸鹽破壞。”這增加的堅(jiān)固性使團(tuán)隊(duì)能夠印刷具有懸垂部分的結(jié)構(gòu) - 這是不可能的單獨(dú)使用海藻酸鹽是可能的。

他們還展示了新材料的其他屬性。例如，通過(guò)將材料浸泡在去除其離子的化學(xué)物質(zhì)中，材料膨脹并變得更柔軟。然后，當(dāng)離子通過(guò)離子鹽浴中恢復(fù)時(shí)，它們恢復(fù)了剛度。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，僅通過(guò)改變其外部離子環(huán)境，材料的剛度可以調(diào)整超過(guò)500倍。

Valentin說(shuō)，這種改變材料剛度的能力使其可用于許多應(yīng)用，其中一種用于動(dòng)態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)。“你可以想象一個(gè)場(chǎng)景，你可以在僵硬的環(huán)境中對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行成像，然后立即改變到更柔和的環(huán)境，看看同樣的細(xì)胞如何反應(yīng)，”他說(shuō)。這個(gè)應(yīng)用程序可以幫助科學(xué)家研究癌細(xì)胞或免疫細(xì)胞如何通過(guò)身體的不同器官遷移。

研究人員還表示，這種新材料具有耐油性，可以另外用作涂層，防止油和其他污垢在表面積聚，他們說(shuō)。Wong說(shuō)，他們使用高鹽度條件來(lái)測(cè)試這種用途，證明了混合物在海洋應(yīng)用中使用的材料的潛力，其耐久性和剛度也可以派上用場(chǎng)。

“這些復(fù)合材料可用作海洋中的傳感器，可以在漏油期間保持讀數(shù)，或作為防污涂層，有助于保持船體清潔，”他說(shuō)。

研究人員表示，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)使用該材料尋找新用途，優(yōu)化其性能，并找到有效的方法來(lái)制造和批量生產(chǎn)這些材料。

Elizabeth Montalbano是一位自由撰稿人，撰寫(xiě)了20年的技術(shù)和文化。她曾在鳳凰城，舊金山和紐約市擔(dān)任專(zhuān)業(yè)記者。在空閑時(shí)間，她喜歡沖浪，旅游，音樂(lè)，瑜伽和烹飪。她目前居住在葡萄牙西南海岸的一個(gè)村莊。