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【中國智能制造網 技術前沿】近日，美國達特茅斯學院的Chenfeng Ke博士及其實驗室用輪烷類化合物開發出一種超強的智能材料，并利用3D打印技術，使之成為一種納米級的聚合物晶格立方體。這種4D材料能舉起15倍于自身重量的物體，應用前景廣闊。
美國科學家用3D打印研發4D材料 制造分子機器
輪烷類化合物是啞鈴狀分子，能夠將光、熱等形式的輸入能量轉化為分子運動。換句話說，它們會對外部刺激作出移動反應。它們也被稱為納米機器。
美國達特茅斯學院的Chenfeng Ke博士及其實驗室用輪烷類化合物開發出一種超強的智能材料。通過3D打印這些納米級分子，他們創造出這一種納米級的聚合物晶格立方體，能舉起15倍自身重量，這相當于一個人舉起一輛汽車。
“我們的設計是基于一個被廣泛研究的分子族——聚輪烷，”Ke博士解釋說，“它們在一個分子軸上有多個環。在我們的新材料中，這些環是一種環狀糖，而分子軸則是一種聚合物。如果我們提供一個外部刺激，如加水，這些原本隨意來回穿梭的環可以相互粘合，形成一個管狀陣列。當這種情況發生時，分子的剛度會被改變。這就像許多滑動的珠子被穿在一條繩上，從而讓繩子堅固得像一根桿。”
Ke博士及其團隊的目標是從數十億個與水結合在一起的分子中構建一種聚合物。他說，讓輪烷類化合物工作的難點在于，當這些納米機器隨機取向時，它們的環運動相互抵消，從而使其在宏觀尺度上毫無用處。然而，3D打印它們使得研究人員可以控制它們的運動。
“通過整合3D打印技術，我們能將這些納米級環的隨機穿梭運動轉化為可在宏觀尺度上工作的智能材料，”Ke博士繼續解釋說，“將分子全部按正確的方向排列可放大其運動。當我們加水時，聚輪烷的環通過氫鍵粘在一起。隨后，管狀陣列以一種更有序的方式堆疊在一起。”
“當它們處于這種構造時，分子協調變得更容易。在這種基礎上，我們成功打印出晶格狀的3D結構。”
一旦結構打印出來，Ke博士的團隊固化它們，然后讓它們工作。由于帶有中空的格子結構，這些3D打印立方體很容易變形和改造。通過使用一種溶劑作為催化劑，團隊能隨意切換分子的環結構的運動狀態，從隨意穿梭到靜止，再重新回到隨意穿梭。外行的說法是，通過添加和去除一種溶劑，他們能讓立方體膨脹，從而舉起一個物體，然后再讓立方體還原到初形狀。
研究人員用這種3D打印立方體舉起了一個1.6毫米的小硬幣，雖然聽起來微不足道，但Ke博士說，這對讓納米機器在宏觀上工作來說卻是一大進步。
“我們希望科學家能用這種3D打印立方體來進一步開發智能材料和設備，”他總結說，“例如，通過為這種上升運動加入收縮和扭曲，這些分子機器可被用作柔性機器人，來執行類似于人類才能完成的復雜任務。”
(原標題：科學家3D打印出超強4D智能材料，可舉起比自身重14倍的物體)
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