利用3D打印创造可提起自身重量15倍的智能材料

近日，达特茅斯学院化学助理教授Chenfeng Ke实验室对外发布消息称，其使用3D打印创造出能够提起自身体重15倍的智能材料。该材料通过将称为轮烷的机械互锁分子转化成纳米机械来工作。

由于能够响应于刺激而执行任务，因此可将能量转化为运动的Rotaxanes，有时称为“纳米机械”。然而，让它们像真正的机器一样工作已经被证明是棘手的。由于这些轮烷的组合可以由数十亿个随机取向的个体组成，所以“运动”实际上是在每个方向发生的，这通常导致没有任何有用的功能。

为了充分利用轮烷，科学家们需要设计一种控制它们的方向和同步运动的方法。现在，达特茅斯大学化学专家Chenfeng Ke似乎已经找到了一种这样做的方法，即借助于3D打印。

该实验室一直在使用称为聚轮烷的分子系列，其在分子轴上具有多个环，并且可以更容易地进行加强和控制。

研究小组发现，通过向一组聚轮烷中加入水，它们可能导致微小分子的环粘在一起而不是一边移动。这使得分子更“僵硬”，并允许研究人员制造出数十亿个这些更强分子的复杂系统，所有这些都正确地面向工作。

随着聚轮烷的环锁定在并排的位置，实验室能够将含有分子的聚合物混合物3D打印成格子状结构。“在3D打印出聚合物之后，我们使用了一种光固化工艺，类似于在美甲店的硬化指甲油的紫外线灯来固化聚合物。”Ke说。“我们留下了一种具有良好3D结构完整性和机械稳定性的材料。”

研究人员发现，3D打印的晶格立方体结构最适合于最大限度地提高材料的变形能力，这提高了其进行有用工作的能力。通过使用溶剂将聚轮烷的环结构从随机穿梭转移到静止状态，然后再次返回，研究人员可以很容易地控制材料的运动。

“就像移动珠子加强或削弱弦一样，这种形状变化是至关重要的，因为它允许将分子运动放大到宏观运动。”Ke说。

通过测试这些3D打印材料的机械功能，其结果令人印象深刻。根据研究人员称，由这种智能材料制造的3D印花格子立方体可以提起一个小巧的硬币，尺寸为1．6毫米，重量是立方体的15倍。

重要的是，这只是3D打印操作轮烷的开始。“我们希望这一进步将使科学家能够进一步开发智能材料和设备，”Ke评论道。“例如，通过对上升运动增加收缩和扭曲，分子机器可以用作类似于人类可以做的复杂任务的软机器人。”