達(dá)特茅斯學(xué)院教授：借助3D打印可制造分子機器
魔猴君 創(chuàng)意空間 2955天前
近日，達(dá)特茅斯學(xué)院化學(xué)助理教授Chenfeng Ke實驗室對外發(fā)布消息稱，其使用3D打印創(chuàng)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(zhuǎn)化成納米機械來工作。
由于能夠響應(yīng)于刺激而執(zhí)行任務(wù)，因此可將能量轉(zhuǎn)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(jīng)被證明是棘手的。由于這些輪烷的組合可以由數(shù)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(fā)生的，這通常導(dǎo)致沒有任何有用的功能。
為了充分利用輪烷，科學(xué)家們需要設(shè)計一種控制它們的方向和同步運動的方法。現(xiàn)在，達(dá)特茅斯大學(xué)化學(xué)專家Chenfeng Ke似乎已經(jīng)找到了一種這樣做的方法，即借助于3D打印。
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(huán)，并且可以更容易地進(jìn)行加強和控制。
研究小組發(fā)現(xiàn)，通過向一組聚輪烷中加入水，它們可能導(dǎo)致微小分子的環(huán)粘在一起而不是一邊移動。這使得分子更“僵硬”，并允許研究人員制造出數(shù)十億個這些更強分子的復(fù)雜系統(tǒng)，所有這些都正確地面向工作。
隨著聚輪烷的環(huán)鎖定在并排的位置，實驗室能夠?qū)⒑蟹肿拥木酆衔锘旌衔?D打印成格子狀結(jié)構(gòu)。“在3D打印出聚合物之后，我們使用了一種光固化工藝，類似于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(jié)構(gòu)完整性和機械穩(wěn)定性的材料。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，3D打印的晶格立方體結(jié)構(gòu)最適合于最大限度地提高材料的變形能力，這提高了其進(jìn)行有用工作的能力。通過使用溶劑將聚輪烷的環(huán)結(jié)構(gòu)從隨機穿梭轉(zhuǎn)移到靜止?fàn)顟B(tài)，然后再次返回，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(guān)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打印材料的機械功能，其結(jié)果令人印象深刻。根據(jù)研究人員稱，由這種智能材料制造的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打印操作輪烷的開始。“我們希望這一進(jìn)步將使科學(xué)家能夠進(jìn)一步開發(fā)智能材料和設(shè)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于人類可以做的復(fù)雜任務(wù)的軟機器人。”
由于能夠響應(yīng)于刺激而執(zhí)行任務(wù)，因此可將能量轉(zhuǎn)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(jīng)被證明是棘手的。由于這些輪烷的組合可以由數(shù)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(fā)生的，這通常導(dǎo)致沒有任何有用的功能。
為了充分利用輪烷，科學(xué)家們需要設(shè)計一種控制它們的方向和同步運動的方法。現(xiàn)在，達(dá)特茅斯大學(xué)化學(xué)專家Chenfeng Ke似乎已經(jīng)找到了一種這樣做的方法，即借助于3D打印。
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(huán)，并且可以更容易地進(jìn)行加強和控制。
研究小組發(fā)現(xiàn)，通過向一組聚輪烷中加入水，它們可能導(dǎo)致微小分子的環(huán)粘在一起而不是一邊移動。這使得分子更“僵硬”，并允許研究人員制造出數(shù)十億個這些更強分子的復(fù)雜系統(tǒng)，所有這些都正確地面向工作。
隨著聚輪烷的環(huán)鎖定在并排的位置，實驗室能夠?qū)⒑蟹肿拥木酆衔锘旌衔?D打印成格子狀結(jié)構(gòu)。“在3D打印出聚合物之后，我們使用了一種光固化工藝，類似于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(jié)構(gòu)完整性和機械穩(wěn)定性的材料。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，3D打印的晶格立方體結(jié)構(gòu)最適合于最大限度地提高材料的變形能力，這提高了其進(jìn)行有用工作的能力。通過使用溶劑將聚輪烷的環(huán)結(jié)構(gòu)從隨機穿梭轉(zhuǎn)移到靜止?fàn)顟B(tài)，然后再次返回，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(guān)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打印材料的機械功能，其結(jié)果令人印象深刻。根據(jù)研究人員稱，由這種智能材料制造的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打印操作輪烷的開始。“我們希望這一進(jìn)步將使科學(xué)家能夠進(jìn)一步開發(fā)智能材料和設(shè)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于人類可以做的復(fù)雜任務(wù)的軟機器人。”
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