智能海藻碳材料對環(huán)境的反應

由布朗大學開發(fā)的海藻和石墨烯制成的復合材料非常堅固，可以根據(jù)其環(huán)境進行改變。布朗大學的一個團隊將海藻衍生的藻酸鹽與氧化石墨烯結合起來，創(chuàng)造出一種耐用的復合材料，可以動態(tài)響應其環(huán)境。他們在布朗大學的新聞發(fā)布會上表示，這種新的混合材料可以用于設計能夠響應外部刺激的其他“智能”材料，使其非常適合下一代生物醫(yī)學，環(huán)境和海洋應用。

科學家已經(jīng)使用藻酸鹽衍生自海藻生物醫(yī)學應用，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。布朗工程學院的學生，他領導了這項研究。“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，我們可以使這些結構更加穩(wěn)健，”他說。

Atlantic Design&Manufacturing是東海岸領先的設計工程師貿易展，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的3D打印方法來開發(fā)材料。該技術使用由計算機輔助設計系統(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結構。重復跟蹤過程，直到分層效果從下向上構建整個對象。

響應材料研究人員表示，該技術的另一個方面是導致材料能夠動態(tài)響應外部刺激的原因。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，當用化學物質處理后迅速溶解，從而掃除材料內部結構中的離子，他們說。研究人員在Carbon雜志上發(fā)表了一篇關于他們工作的論文。

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構的機械性能，證明新復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構 - 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物質中，材料膨脹并變得更柔軟。然后，當離子通過離子鹽浴中恢復時，它們恢復了剛度。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，”他說。這個應用程序可以幫助科學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這些材料。

Elizabeth Montalbano是一位自由撰稿人，撰寫了20年的技術和文化。她曾在鳳凰城，舊金山和紐約市擔任專業(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。