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智能海藻碳材料對(duì)環(huán)境的反應(yīng)

2019-04-04 10:05:27 編輯: 來源:
導(dǎo)讀 由布朗大學(xué)開發(fā)的海藻和石墨烯制成的復(fù)合材料非常堅(jiān)固,可以根據(jù)其環(huán)境進(jìn)行改變。布朗大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)將海藻衍生的藻酸鹽與氧化石墨烯結(jié)合起

由布朗大學(xué)開發(fā)的海藻和石墨烯制成的復(fù)合材料非常堅(jiān)固,可以根據(jù)其環(huán)境進(jìn)行改變。布朗大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)將海藻衍生的藻酸鹽與氧化石墨烯結(jié)合起來,創(chuàng)造出一種耐用的復(fù)合材料,可以動(dòng)態(tài)響應(yīng)其環(huán)境。他們?cè)诓祭蚀髮W(xué)的新聞發(fā)布會(huì)上表示,這種新的混合材料可以用于設(shè)計(jì)能夠響應(yīng)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(xué),環(huán)境和海洋應(yīng)用。

科學(xué)家已經(jīng)使用藻酸鹽衍生自海藻生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,但由材料制成的水凝膠的一個(gè)限制因素是它們非常脆弱,Thomas Valentin博士說。布朗工程學(xué)院的學(xué)生,他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。“他們傾向于在機(jī)械載荷或低鹽溶液中分崩離析,”他在新聞發(fā)布會(huì)上說。Valentin說,研究團(tuán)隊(duì)的工作是通過使用多功能的碳基材料石墨烯來加強(qiáng)材料,使其更耐用于各種應(yīng)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(jié)構(gòu)更加穩(wěn)健,”他說。

Atlantic Design&Manufacturing是東海岸領(lǐng)先的設(shè)計(jì)工程師貿(mào)易展,提供最新的3D打印,自動(dòng)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(shù)的3D打印方法來開發(fā)材料。該技術(shù)使用由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。重復(fù)跟蹤過程,直到分層效果從下向上構(gòu)建整個(gè)對(duì)象。

響應(yīng)材料研究人員表示,該技術(shù)的另一個(gè)方面是導(dǎo)致材料能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(qiáng)以將材料保持在一起,但可以通過某些化學(xué)處理來破壞。

據(jù)研究人員在其他實(shí)驗(yàn)中所證實(shí)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(dāng)用化學(xué)物質(zhì)處理后迅速溶解,從而掃除材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的離子,他們說。研究人員在Carbon雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們工作的論文。

在最近的一項(xiàng)研究中,研究人員還觀察了氧化石墨烯如何改變?cè)逅猁}結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能,證明新復(fù)合材料如何制成兩倍于單獨(dú)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(jié)合,”他說。“我們認(rèn)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(jiān)固性使團(tuán)隊(duì)能夠印刷具有懸垂部分的結(jié)構(gòu) - 這是不可能的單獨(dú)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(xué)物質(zhì)中,材料膨脹并變得更柔軟。然后,當(dāng)離子通過離子鹽浴中恢復(fù)時(shí),它們恢復(fù)了剛度。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明,僅通過改變其外部離子環(huán)境,材料的剛度可以調(diào)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(yīng)用,其中一種用于動(dòng)態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)。“你可以想象一個(gè)場(chǎng)景,你可以在僵硬的環(huán)境中對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行成像,然后立即改變到更柔和的環(huán)境,看看同樣的細(xì)胞如何反應(yīng),”他說。這個(gè)應(yīng)用程序可以幫助科學(xué)家研究癌細(xì)胞或免疫細(xì)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(cè)試這種用途,證明了混合物在海洋應(yīng)用中使用的材料的潛力,其耐久性和剛度也可以派上用場(chǎng)。

“這些復(fù)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(tuán)隊(duì)計(jì)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(chǎn)這些材料。

Elizabeth Montalbano是一位自由撰稿人,撰寫了20年的技術(shù)和文化。她曾在鳳凰城,舊金山和紐約市擔(dān)任專業(yè)記者。在空閑時(shí)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(gè)村莊。


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