科學家利用3D列印創造可提起自身重量15倍的智能材料

近日，達特茅斯學院化學助理教授Chenfeng Ke實驗室對外發布消息稱，其使用3D列印創造出能夠提起自身體重15倍的智能材料。該材料通過將稱為輪烷的機械互鎖分子轉化成納米機械來工作。

由於能夠響應於刺激而執行任務，因此可將能量轉化為運動的Rotaxanes，有時稱為「納米機械」。然而，讓它們像真正的機器一樣工作已經被證明是棘手的。由於這些輪烷的組合可以由數十億個隨機取向的個體組成，所以「運動」實際上是在每個方向發生的，這通常導致沒有任何有用的功能。

為了充分利用輪烷，科學家們需要設計一種控制它們的方向和同步運動的方法。現在，達特茅斯大學化學專家Chenfeng Ke似乎已經找到了一種這樣做的方法，即藉助於3D列印。

該實驗室一直在使用稱為聚輪烷的分子系列，其在分子軸上具有多個環，並且可以更容易地進行加強和控制。

研究小組發現，通過向一組聚輪烷中加入水，它們可能導致微小分子的環粘在一起而不是一邊移動。這使得分子更「僵硬」，並允許研究人員製造出數十億個這些更強分子的複雜系統，所有這些都正確地面向工作。

隨著聚輪烷的環鎖定在並排的位置，實驗室能夠將含有分子的聚合物混合物3D列印成格子狀結構。「在3D列印出聚合物之後，我們使用了一種光固化工藝，類似於在美甲店的硬化指甲油的紫外線燈來固化聚合物。」Ke說。「我們留下了一種具有良好3D結構完整性和機械穩定性的材料。」

研究人員發現，3D列印的晶格立方體結構最適合於最大限度地提高材料的變形能力，這提高了其進行有用工作的能力。通過使用溶劑將聚輪烷的環結構從隨機穿梭轉移到靜止狀態，然後再次返回，研究人員可以很容易地控制材料的運動。

「就像移動珠子加強或削弱弦一樣，這種形狀變化是至關重要的，因為它允許將分子運動放大到宏觀運動。」Ke說。

通過測試這些3D列印材料的機械功能，其結果令人印象深刻。根據研究人員稱，由這種智能材料製造的3D印花格子立方體可以提起一個小巧的硬幣，尺寸為1.6毫米，重量是立方體的15倍。

重要的是，這只是3D列印操作輪烷的開始。「我們希望這一進步將使科學家能夠進一步開發智能材料和設備，」Ke評論道。「例如，通過對上升運動增加收縮和扭曲，分子機器可以用作類似於人類可以做的複雜任務的軟機器人。」

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