新方法可以实现3D打印光响应水凝胶结构

一个国际研究小组将金纳米棒嵌入水凝胶中，通过3D打印技术加工，可以制造出在光照下收缩的结构，在光线消失后又会膨胀。由于这种膨胀和收缩可以反复进行，因此3D打印结构可以用作远程控制的执行器。

“我们知道，你可以用3D打印技术制造出受热时会收缩的水凝胶，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授乔·特雷西(JoeTracy)说道。“我们还知道，你可以将金纳米棒加入水凝胶中，使其具有光敏性，这意味着当暴露在光线下时，它们会以可逆的方式收缩。

“我们希望找到一种方法将金纳米棒融入水凝胶中，这样我们就可以3D打印光响应结构。”

水凝胶是含有水的聚合物网络。例子包括从隐形眼镜到尿布中使用的吸收材料等所有东西。从技术上讲，研究人员并没有用3D打印机打印水凝胶。相反，他们打印了一种含有金纳米棒和制造水凝胶所需的所有成分的溶液。

“当这种打印溶液暴露在光线下时，溶液中的聚合物会形成交联分子结构，”论文共同通讯作者、马格德堡奥托冯格里克大学有机化学系主任朱利安蒂勒(JulianThiele)说道。“这会将溶液变成水凝胶，捕获的金纳米棒会分布在整个材料中。”

由于3D打印机中流出的预水凝胶溶液粘度非常低，因此无法将溶液打印到普通基材上，否则会得到一滩水而不是3D结构。

为了解决这个问题，研究人员将溶液打印到水中的明胶微粒半透明浆液中。打印机喷嘴能够穿透明胶浆液，将溶液打印成所需的形状。由于明胶是半透明的，光线可以穿透基质，将溶液转化为固体水凝胶。完成后，将整个东西放入温水中，融化明胶，留下3D水凝胶结构。

当这些水凝胶结构暴露在光线下时，嵌入的金纳米棒会将光线转化为热量。这会导致水凝胶中的聚合物收缩，将水挤出水凝胶，使结构收缩。然而，当光线消失时，聚合物会冷却下来并再次开始吸收水分，从而使水凝胶结构膨胀至其原始尺寸。

“人们已经对受热收缩的水凝胶进行了大量研究，”该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学前博士生MelanieGhelardini说道。“我们现在已经证明，当水凝胶暴露在光线下时，你可以做同样的事情，同时还可以3D打印这种材料。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。”

“与使用传统的模具铸造相比，3D打印水凝胶结构提供了几乎无限的设计自由度，”Thiele说道。“并且它允许在光触发的光敏材料收缩和扩张过程中预先编程独特的运动。”

该论文“3D打印水凝胶作为光热致动器”发表在开放获取期刊《聚合物》上。

该论文由北卡罗来纳州立大学前研究生詹姆森·汉克维茨(JamesonHankwitz)、德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所的马丁·盖斯勒(MartinGeisler)、尼古拉斯·韦格尔(NiclasWeigel)、尼古拉斯·豪克(NicolasHauck)和乔纳斯·舒伯特(JonasSchubert)以及德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所和德累斯顿工业大学的安德烈亚斯·费里(AndreasFery)共同撰写。