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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(zé)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(jī)的水凝膠，這款水凝膠材質(zhì)堅(jiān)勁，而且能根據(jù)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(xiàng)技術(shù)，另外，這款材料還能用來(lái)制作柔軟的機(jī)器人，定制設(shè)計(jì)傳感器，以及自主組裝宏觀結(jié)構(gòu)。

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【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(jī)的水凝膠，這款水凝膠材質(zhì)堅(jiān)勁，而且能根據(jù)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(xiàng)技術(shù)，另外，這款材料還能用來(lái)制作柔軟的機(jī)器人，定制設(shè)計(jì)傳感器，以及自主組裝宏觀結(jié)構(gòu)。

所謂“4D打印”的目的是增材制造擴(kuò)展至?xí)r間上的維度。該理念是通過(guò)使用對(duì)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(jī)中出來(lái)很久了，還能依據(jù)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(fù)到它們?cè)瓉?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(jù)水、熱量或者壓力彎曲成型的聚合物，以及受自組裝納米結(jié)構(gòu)啟發(fā)的智能繩索。不過(guò)，無(wú)可否認(rèn)的是，4D打印目前的階段距離實(shí)用階段還非常遠(yuǎn)，但這項(xiàng)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(jù)het Panhuis以及團(tuán)隊(duì)里的Marc教授稱，目前4D打印應(yīng)用能讓物品在形狀上有劇烈的改變，但通常都需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，而隨著這些材料彎曲，它們會(huì)失去機(jī)械強(qiáng)度，此外只要達(dá)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(jù)水溫的改變生成快速、可逆以及機(jī)械性可靠的改變。

研究人員創(chuàng)造出一款使用堅(jiān)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(dá)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(dú)特的結(jié)構(gòu)讓材質(zhì)更堅(jiān)硬，而且可預(yù)防結(jié)構(gòu)內(nèi)的微觀裂縫，避免災(zāi)難性的機(jī)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(xiàn)象作為3D打印的一個(gè)閥門，當(dāng)遇到熱水時(shí)，它就會(huì)關(guān)閉，把99%的水分鎖住，當(dāng)水溫下降時(shí)，它就會(huì)打開(kāi)。跟標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)力就能反復(fù)開(kāi)關(guān)。

雖然這項(xiàng)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)需依靠人類或者是昂貴的精制機(jī)器人。此外，如果未來(lái)的3D打印進(jìn)化到分子層面，那么醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面可能會(huì)得到真正的革新。

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