根據(jù)達(dá)特茅斯學(xué)院的一項(xiàng)研究，利用熱量來改變化學(xué)鏈上分子環(huán)排列的過程可以制造出可折疊、滾動(dòng)或保持形狀的3D 打印凝膠。

研究人員將新過程描述為“動(dòng)力學(xué)捕獲”。分子停止器(或減速帶)調(diào)節(jié)進(jìn)入聚合物鏈的環(huán)數(shù)并控制環(huán)分布。當(dāng)環(huán)聚在一起時(shí)，它們會(huì)儲(chǔ)存可以釋放的動(dòng)能，就像松開壓縮彈簧時(shí)一樣。

Ke Functional Materials Group的研究人員 利用熱量來改變環(huán)的分布，然后利用水分來激活打印物體的不同形狀。

使用單一墨水打印具有不同機(jī)械強(qiáng)度的物體的能力可以取代使用多種墨水打印具有不同屬性的物品的昂貴且耗時(shí)的需求。

“這種新方法使用熱量來生產(chǎn)和控制具有多種特性的 3D 墨水，”化學(xué)助理教授、該研究的高級研究員Chenfeng Ke說。“這是一個(gè)可以使復(fù)雜物體的 3D 打印更容易、更便宜的過程。”

最常見的 3D 打印墨水具有統(tǒng)一的分子組成，從而使打印的物體具有單一屬性，例如所需的剛度或彈性。打印具有多種屬性的物體需要耗能且耗時(shí)的過程來準(zhǔn)備不同的墨水，這些墨水被設(shè)計(jì)成可以協(xié)同工作。

通過引入分子“減速帶”，研究人員創(chuàng)造了一種隨時(shí)間改變分子環(huán)分布的墨水。不均勻的環(huán)還將材料從粉末轉(zhuǎn)化為 3D 打印凝膠。

“這種方法使我們能夠使用溫度來創(chuàng)建復(fù)雜的形狀，并使它們在不同的濕度水平下驅(qū)動(dòng)，” 該研究的第一作者、Guarini '21 的錢明林說。

一段展示該研究的視頻 展示了使用該工藝生產(chǎn)的 3D 墨水打印的花朵。印刷花的不同部分具有由分子環(huán)排列產(chǎn)生的不同程度的柔韌性。這些特性的混合使柔軟的花瓣在暴露于濕氣時(shí)可以閉合，而花朵的較硬部分則提供了結(jié)構(gòu)。

使用當(dāng)前的 3D 打印方法打印同一朵花將面臨結(jié)合不同打印材料的額外挑戰(zhàn)。

“這個(gè)物體的不同部分來自同一種印刷油墨，”柯說。“它們具有相似的化學(xué)成分，但分子環(huán)的數(shù)量和分布不同。這些差異使產(chǎn)品具有截然不同的機(jī)械強(qiáng)度，并導(dǎo)致它們對水分的反應(yīng)不同。”

這項(xiàng)發(fā)表在Chem上的研究獲得了由環(huán)糊精和聚乙二醇(通常用作食品添加劑和大便軟化劑的物質(zhì))制成的分子結(jié)構(gòu)的能量保持“亞穩(wěn)態(tài)”狀態(tài)。通過在聚乙二醇上安裝減速帶，3D 打印的物體成為響應(yīng)水分以改變形狀的致動(dòng)器。

根據(jù)研究小組的說法，未來改進(jìn)分子的努力將允許精確控制多個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，允許使用可持續(xù)能源(例如濕度變化)打印“快速響應(yīng)執(zhí)行器”和軟機(jī)器人。

由此產(chǎn)生的打印對象可用于醫(yī)療設(shè)備或工業(yè)過程。

Longyu Li，前研究員，Miao Tang，Guarini '22，Jayanta Samanta，研究員，Lingyi Zou Guarini '25，和Shangda Li，也為這項(xiàng)研究做出了貢獻(xiàn)。