智能海藻碳材料對環(huán)境的反應(yīng)

由布朗大學(xué)開發(fā)的海藻和石墨烯制成的復(fù)合材料非常堅固，可以根據(jù)其環(huán)境進行改變。布朗大學(xué)的一個團隊將海藻衍生的藻酸鹽與氧化石墨烯結(jié)合起來，創(chuàng)造出一種耐用的復(fù)合材料，可以動態(tài)響應(yīng)其環(huán)境。他們在布朗大學(xué)的新聞發(fā)布會上表示，這種新的混合材料可以用于設(shè)計能夠響應(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限制因素是它們非常脆弱，Thomas Valentin博士說。布朗工程學(xué)院的學(xué)生，他領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。“他們傾向于在機械載荷或低鹽溶液中分崩離析，”他在新聞發(fā)布會上說。Valentin說，研究團隊的工作是通過使用多功能的碳基材料石墨烯來加強材料，使其更耐用于各種應(yīng)用。“我們展示的是通過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。

Atlantic Design&Manufacturing是東海岸領(lǐng)先的設(shè)計工程師貿(mào)易展，提供最新的3D打印，自動化和CAD / CAM軟件，包括FedEx，GE Appliances，Procter&Gamble以及其他數(shù)百種軟件。研究人員使用稱為立體光刻技術(shù)的3D打印方法來開發(fā)材料。該技術(shù)使用由計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)控制的紫外激光來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)跟蹤過程，直到分層效果從下向上構(gòu)建整個對象。

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

據(jù)研究人員在其他實驗中所證實的這種所謂的“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。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。

在最近的一項研究中，研究人員還觀察了氧化石墨烯如何改變藻酸鹽結(jié)構(gòu)的機械性能，證明新復(fù)合材料如何制成兩倍于單獨藻酸鹽的硬度，并且通過開裂更能抵抗失效，Ian Y. Wong說。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。“我們認為抗裂性是由于裂縫必須繞過散布的石墨烯片，而不是能夠通過均勻的藻酸鹽破壞。”這增加的堅固性使團隊能夠印刷具有懸垂部分的結(jié)構(gòu) - 這是不可能的單獨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)離子通過離子鹽浴中恢復(fù)時，它們恢復(fù)了剛度。進一步的實驗表明，僅通過改變其外部離子環(huán)境，材料的剛度可以調(diào)整超過500倍。

Valentin說，這種改變材料剛度的能力使其可用于許多應(yīng)用，其中一種用于動態(tài)細胞培養(yǎng)。“你可以想象一個場景，你可以在僵硬的環(huán)境中對活細胞進行成像，然后立即改變到更柔和的環(huán)境，看看同樣的細胞如何反應(yīng)，”他說。這個應(yīng)用程序可以幫助科學(xué)家研究癌細胞或免疫細胞如何通過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。Wong說，他們使用高鹽度條件來測試這種用途，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。

“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。

研究人員表示，該團隊計劃繼續(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制造和批量生產(chǎn)這些材料。

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