新“4D打印”材料能在熱水中改變形狀
2015-05-13 09:17 來(lái)源：安珀網(wǎng)(廣州) 責編：江佳
- 摘要：
- 澳大利亞臥龍崗大學(xué)的科研人員們開(kāi)發(fā)出一款兼容3D打印機的水凝膠，這款水凝膠材質(zhì)堅勁，而且能根據水溫不斷改變形狀。這些科學(xué)家們通過(guò)3D打印一個(gè)自動(dòng)水閥展示了這項技術(shù)，另外，這款材料還能用來(lái)制作柔軟的機器人，定制設計傳感器，以及自主組裝宏觀(guān)結構。
【CPP114】訊：澳大利亞臥龍崗大學(xué)的科研人員們開(kāi)發(fā)出一款兼容3D打印機的水凝膠，這款水凝膠材質(zhì)堅勁，而且能根據水溫不斷改變形狀。這些科學(xué)家們通過(guò)3D打印一個(gè)自動(dòng)水閥展示了這項技術(shù)，另外，這款材料還能用來(lái)制作柔軟的機器人，定制設計傳感器，以及自主組裝宏觀(guān)結構。
所謂“4D打印”的目的是增材制造擴展至時(shí)間上的維度。該理念是通過(guò)使用對熱量、水或者壓力敏感的特殊材質(zhì)來(lái)制作3D打印物品，這些物品即使從打印機中出來(lái)很久了，還能依據環(huán)境情況用非常具體、有目的的方式自動(dòng)改變形狀。在某些情況下，有些物品甚至能恢復到它們原來(lái)的形狀。
4D打印的例子包括烘烤時(shí)能簡(jiǎn)單自組裝的物品，能根據水、熱量或者壓力彎曲成型的聚合物，以及受自組裝納米結構啟發(fā)的智能繩索。不過(guò)，無(wú)可否認的是，4D打印目前的階段距離實(shí)用階段還非常遠，但這項技術(shù)非常年輕，而且很可能會(huì )取得重大進(jìn)步，就像3D打印一樣。
據het Panhuis以及團隊里的Marc教授稱(chēng)，目前4D打印應用能讓物品在形狀上有劇烈的改變，但通常都需要較長(cháng)的反應時(shí)間，而隨著(zhù)這些材料彎曲，它們會(huì )失去機械強度，此外只要達到某一點(diǎn)，形狀改變才可逆。因此，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一款特殊的水凝膠，這款水凝膠能依據水溫的改變生成快速、可逆以及機械性可靠的改變。
研究人員創(chuàng )造出一款使用堅硬離子共價(jià)糾纏（ICE）凝膠的材質(zhì)作為活性物質(zhì)，濃度達20%。ICE凝膠包含兩種依靠交聯(lián)離子與共價(jià)化學(xué)鍵的聚合物網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)獨特的結構讓材質(zhì)更堅硬，而且可預防結構內的微觀(guān)裂縫，避免災難性的機械故障。
超過(guò)35C(95F)的臨界溫度，凝膠就會(huì )迅速失去大部分的含水量，大約為50%。Panhuis以及同事們把這一現象作為3D打印的一個(gè)閥門(mén)，當遇到熱水時(shí)，它就會(huì )關(guān)閉，把99%的水分鎖住，當水溫下降時(shí)，它就會(huì )打開(kāi)。跟標準3D打印材質(zhì)不一樣的是，這款凝膠變體時(shí)無(wú)需人為干涉，而且無(wú)需費力就能反復開(kāi)關(guān)。
雖然這項技術(shù)仍處于初始階段，但像這樣的可變形材料（不管是遇水、遇熱或者壓力而變形）在建筑中可能會(huì )引領(lǐng)巨大進(jìn)步，在一些極端環(huán)境，例如外太空里，很輕易就能組裝材料，而無(wú)需依靠人類(lèi)或者是昂貴的精制機器人。此外，如果未來(lái)的3D打印進(jìn)化到分子層面，那么醫學(xué)應用方面可能會(huì )得到真正的革新。
所謂“4D打印”的目的是增材制造擴展至時(shí)間上的維度。該理念是通過(guò)使用對熱量、水或者壓力敏感的特殊材質(zhì)來(lái)制作3D打印物品，這些物品即使從打印機中出來(lái)很久了，還能依據環(huán)境情況用非常具體、有目的的方式自動(dòng)改變形狀。在某些情況下，有些物品甚至能恢復到它們原來(lái)的形狀。
4D打印的例子包括烘烤時(shí)能簡(jiǎn)單自組裝的物品，能根據水、熱量或者壓力彎曲成型的聚合物，以及受自組裝納米結構啟發(fā)的智能繩索。不過(guò)，無(wú)可否認的是，4D打印目前的階段距離實(shí)用階段還非常遠，但這項技術(shù)非常年輕，而且很可能會(huì )取得重大進(jìn)步，就像3D打印一樣。
據het Panhuis以及團隊里的Marc教授稱(chēng)，目前4D打印應用能讓物品在形狀上有劇烈的改變，但通常都需要較長(cháng)的反應時(shí)間，而隨著(zhù)這些材料彎曲，它們會(huì )失去機械強度，此外只要達到某一點(diǎn)，形狀改變才可逆。因此，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一款特殊的水凝膠，這款水凝膠能依據水溫的改變生成快速、可逆以及機械性可靠的改變。
研究人員創(chuàng )造出一款使用堅硬離子共價(jià)糾纏（ICE）凝膠的材質(zhì)作為活性物質(zhì)，濃度達20%。ICE凝膠包含兩種依靠交聯(lián)離子與共價(jià)化學(xué)鍵的聚合物網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)獨特的結構讓材質(zhì)更堅硬，而且可預防結構內的微觀(guān)裂縫，避免災難性的機械故障。
超過(guò)35C(95F)的臨界溫度，凝膠就會(huì )迅速失去大部分的含水量，大約為50%。Panhuis以及同事們把這一現象作為3D打印的一個(gè)閥門(mén)，當遇到熱水時(shí)，它就會(huì )關(guān)閉，把99%的水分鎖住，當水溫下降時(shí)，它就會(huì )打開(kāi)。跟標準3D打印材質(zhì)不一樣的是，這款凝膠變體時(shí)無(wú)需人為干涉，而且無(wú)需費力就能反復開(kāi)關(guān)。
雖然這項技術(shù)仍處于初始階段，但像這樣的可變形材料（不管是遇水、遇熱或者壓力而變形）在建筑中可能會(huì )引領(lǐng)巨大進(jìn)步，在一些極端環(huán)境，例如外太空里，很輕易就能組裝材料，而無(wú)需依靠人類(lèi)或者是昂貴的精制機器人。此外，如果未來(lái)的3D打印進(jìn)化到分子層面，那么醫學(xué)應用方面可能會(huì )得到真正的革新。
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