智能海藻碳材料对环境的反应

由布朗大学开发的海藻和石墨烯制成的复合材料非常坚固，可以根据其环境进行改变。布朗大学的一个团队将海藻衍生的藻酸盐与氧化石墨烯结合起来，创造出一种耐用的复合材料，可以动态响应其环境。他们在布朗大学的新闻发布会上表示，这种新的混合材料可以用于设计能够响应外部刺激的其他“智能”材料，使其非常适合下一代生物医学，环境和海洋应用。

科学家已经使用藻酸盐衍生自海藻生物医学应用，但由材料制成的水凝胶的一个限制因素是它们非常脆弱，Thomas Valentin博士说。布朗工程学院的学生，他领导了这项研究。“他们倾向于在机械载荷或低盐溶液中分崩离析，”他在新闻发布会上说。Valentin说，研究团队的工作是通过使用多功能的碳基材料石墨烯来加强材料，使其更耐用于各种应用。“我们展示的是通过包括氧化石墨烯纳米片，我们可以使这些结构更加稳健，”他说。

Atlantic Design&Manufacturing是东海岸领先的设计工程师贸易展，提供最新的3D打印，自动化和CAD / CAM软件，包括FedEx，GE Appliances，Procter&Gamble以及其他数百种软件。研究人员使用称为立体光刻技术的3D打印方法来开发材料。该技术使用由计算机辅助设计系统控制的紫外激光来追踪光活性聚合物溶液表面上的图案 - 在这种情况下，其是与氧化石墨烯片混合的藻酸钠。

在此过程中，光使聚合物连接在一起，从溶液中形成固体3D结构。重复跟踪过程，直到分层效果从下向上构建整个对象。

响应材料研究人员表示，该技术的另一个方面是导致材料能够动态响应外部刺激的原因。这方面是海藻酸钠聚合物通过离子键的连接，离子键足够强以将材料保持在一起，但可以通过某些化学处理来破坏。

据研究人员在其他实验中所证实的这种所谓的“离子交联”可用于制造藻酸盐材料，这种材料可根据需要降解，当用化学物质处理后迅速溶解，从而扫除材料内部结构中的离子，他们说。研究人员在Carbon杂志上发表了一篇关于他们工作的论文。

在最近的一项研究中，研究人员还观察了氧化石墨烯如何改变藻酸盐结构的机械性能，证明新复合材料如何制成两倍于单独藻酸盐的硬度，并且通过开裂更能抵抗失效，Ian Y. Wong说。布朗工程助理教授。

“添加氧化石墨烯使藻酸盐水凝胶与氢键结合，”他说。“我们认为抗裂性是由于裂缝必须绕过散布的石墨烯片，而不是能够通过均匀的藻酸盐破坏。”这增加的坚固性使团队能够印刷具有悬垂部分的结构 - 这是不可能的单独使用海藻酸盐是可能的。

他们还展示了新材料的其他属性。例如，通过将材料浸泡在去除其离子的化学物质中，材料膨胀并变得更柔软。然后，当离子通过离子盐浴中恢复时，它们恢复了刚度。进一步的实验表明，仅通过改变其外部离子环境，材料的刚度可以调整超过500倍。

Valentin说，这种改变材料刚度的能力使其可用于许多应用，其中一种用于动态细胞培养。“你可以想象一个场景，你可以在僵硬的环境中对活细胞进行成像，然后立即改变到更柔和的环境，看看同样的细胞如何反应，”他说。这个应用程序可以帮助科学家研究癌细胞或免疫细胞如何通过身体的不同器官迁移。

研究人员还表示，这种新材料具有耐油性，可以另外用作涂层，防止油和其他污垢在表面积聚，他们说。Wong说，他们使用高盐度条件来测试这种用途，证明了混合物在海洋应用中使用的材料的潜力，其耐久性和刚度也可以派上用场。

“这些复合材料可用作海洋中的传感器，可以在漏油期间保持读数，或作为防污涂层，有助于保持船体清洁，”他说。

研究人员表示，该团队计划继续使用该材料寻找新用途，优化其性能，并找到有效的方法来制造和批量生产这些材料。

Elizabeth Montalbano是一位自由撰稿人，撰写了20年的技术和文化。她曾在凤凰城，旧金山和纽约市担任专业记者。在空闲时间，她喜欢冲浪，旅游，音乐，瑜伽和烹饪。她目前居住在葡萄牙西南海岸的一个村庄。