達(dá)特茅斯學(xué)院教授：借助3D打印可制造分子機(jī)器
魔猴君 創(chuàng)意空間 2737天前
近日，達(dá)特茅斯學(xué)院化學(xué)助理教授Chenfeng Ke實(shí)驗(yàn)室對(duì)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(guò)將稱為輪烷的機(jī)械互鎖分子轉(zhuǎn)化成納米機(jī)械來(lái)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(yùn)動(dòng)的Rotaxanes，有時(shí)稱為“納米機(jī)械”。然而，讓它們像真正的機(jī)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(gè)隨機(jī)取向的個(gè)體組成，所以“運(yùn)動(dòng)”實(shí)際上是在每個(gè)方向發(fā)生的，這通常導(dǎo)致沒(méi)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(jì)一種控制它們的方向和同步運(yùn)動(dòng)的方法?，F(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(shí)驗(yàn)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(gè)環(huán)，并且可以更容易地進(jìn)行加強(qiáng)和控制。
研究小組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(dòng)。這使得分子更“僵硬”，并允許研究人員制造出數(shù)十億個(gè)這些更強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(lái)固化聚合物。”Ke說(shuō)?！拔覀兞粝铝艘环N具有良好3D結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械穩(wěn)定性的材料?！?/span>
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(guò)使用溶劑將聚輪烷的環(huán)結(jié)構(gòu)從隨機(jī)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(yùn)動(dòng)。
“就像移動(dòng)珠子加強(qiáng)或削弱弦一樣，這種形狀變化是至關(guān)重要的，因?yàn)樗试S將分子運(yùn)動(dòng)放大到宏觀運(yùn)動(dòng)?！盞e說(shuō)。
通過(guò)測(cè)試這些3D打印材料的機(jī)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(gè)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(kāi)始。“我們希望這一進(jìn)步將使科學(xué)家能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)智能材料和設(shè)備，”Ke評(píng)論道。“例如，通過(guò)對(duì)上升運(yùn)動(dòng)增加收縮和扭曲，分子機(jī)器可以用作類似于人類可以做的復(fù)雜任務(wù)的軟機(jī)器人?！?/span>
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(yùn)動(dòng)的Rotaxanes，有時(shí)稱為“納米機(jī)械”。然而，讓它們像真正的機(jī)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(gè)隨機(jī)取向的個(gè)體組成，所以“運(yùn)動(dòng)”實(shí)際上是在每個(gè)方向發(fā)生的，這通常導(dǎo)致沒(méi)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(jì)一種控制它們的方向和同步運(yùn)動(dòng)的方法?，F(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(shí)驗(yàn)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(gè)環(huán)，并且可以更容易地進(jìn)行加強(qiáng)和控制。
研究小組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(dòng)。這使得分子更“僵硬”，并允許研究人員制造出數(shù)十億個(gè)這些更強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(lái)固化聚合物。”Ke說(shuō)?！拔覀兞粝铝艘环N具有良好3D結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械穩(wěn)定性的材料?！?/span>
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(guò)使用溶劑將聚輪烷的環(huán)結(jié)構(gòu)從隨機(jī)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(yùn)動(dòng)。
“就像移動(dòng)珠子加強(qiáng)或削弱弦一樣，這種形狀變化是至關(guān)重要的，因?yàn)樗试S將分子運(yùn)動(dòng)放大到宏觀運(yùn)動(dòng)?！盞e說(shuō)。
通過(guò)測(cè)試這些3D打印材料的機(jī)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(gè)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(kāi)始。“我們希望這一進(jìn)步將使科學(xué)家能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)智能材料和設(shè)備，”Ke評(píng)論道。“例如，通過(guò)對(duì)上升運(yùn)動(dòng)增加收縮和扭曲，分子機(jī)器可以用作類似于人類可以做的復(fù)雜任務(wù)的軟機(jī)器人?！?/span>
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