達特茅斯學(xué)院教授：借助3D打印可制造分子機器
魔猴君 創(chuàng )(chuàng)意空間 2854天前
近日，達特茅斯學(xué)院化學(xué)助理教授Chenfeng Ke實(shí)驗室對外發(fā)(fā)布消息稱(chēng)，其使用3D打印創(chuàng )(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(chēng)為輪烷的機械互鎖分子轉化成納米機械來(lái)工作。
由于能夠響應于刺激而執(zhí)行任務(wù)，因此可將能量轉化為運動(dòng)的Rotaxanes，有時(shí)稱(chēng)為“納米機械”。然而，讓它們像真正的機器一樣工作已經(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)隨機取向的個(gè)體組成，所以“運動(dòng)”實(shí)際上是在每個(gè)方向發(fā)(fā)生的，這通常導致沒(méi)有任何有用的功能。
為了充分利用輪烷，科學(xué)家們需要設計一種控制它們的方向和同步運動(dòng)的方法?，F(xiàn)在，達特茅斯大學(xué)化學(xué)專(zhuān)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)驗室一直在使用稱(chēng)為聚輪烷的分子系列，其在分子軸上具有多個(gè)環(huán)(huán)，并且可以更容易地進(jìn)行加強和控制。
研究小組發(fā)(fā)現(xiàn)，通過(guò)向一組聚輪烷中加入水，它們可能導致微小分子的環(huán)(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)這些更強分子的復雜系統(tǒng)，所有這些都正確地面向工作。
隨著(zhù)聚輪烷的環(huán)(huán)鎖定在并排的位置，實(shí)驗室能夠將含有分子的聚合物混合物3D打印成格子狀結構?！霸?D打印出聚合物之后，我們使用了一種光固化工藝，類(lèi)似于在美甲店的硬化指甲油的紫外線(xiàn)燈來(lái)固化聚合物?！盞e說(shuō)?！拔覀兞糲鋁艘環(huán)N具有良好3D結構完整性和機械穩(wěn)定性的材料?！?/span>
研究人員發(fā)(fā)現(xiàn)，3D打印的晶格立方體結構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)(huán)結構從隨機穿梭轉移到靜止狀態(tài)(tài)，然后再次返回，研究人員可以很容易地控制材料的運動(dòng)。
“就像移動(dòng)珠子加強或削弱弦一樣，這種形狀變化是至關(guān)重要的，因為它允許將分子運動(dòng)放大到宏觀(guān)運動(dòng)?！盞e說(shuō)。
通過(guò)測試這些3D打印材料的機械功能，其結果令人印象深刻。根據研究人員稱(chēng)，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?！拔覀兿Ｍ@一進(jìn)步將使科學(xué)家能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)(fā)智能材料和設備，”Ke評論道?！襖紓ㄟ^(guò)對上升運動(dòng)增加收縮和扭曲，分子機器可以用作類(lèi)似于人類(lèi)可以做的復雜任務(wù)的軟機器人?！?/span>
由于能夠響應于刺激而執(zhí)行任務(wù)，因此可將能量轉化為運動(dòng)的Rotaxanes，有時(shí)稱(chēng)為“納米機械”。然而，讓它們像真正的機器一樣工作已經(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)隨機取向的個(gè)體組成，所以“運動(dòng)”實(shí)際上是在每個(gè)方向發(fā)(fā)生的，這通常導致沒(méi)有任何有用的功能。
為了充分利用輪烷，科學(xué)家們需要設計一種控制它們的方向和同步運動(dòng)的方法?，F(xiàn)在，達特茅斯大學(xué)化學(xué)專(zhuān)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)驗室一直在使用稱(chēng)為聚輪烷的分子系列，其在分子軸上具有多個(gè)環(huán)(huán)，并且可以更容易地進(jìn)行加強和控制。
研究小組發(fā)(fā)現(xiàn)，通過(guò)向一組聚輪烷中加入水，它們可能導致微小分子的環(huán)(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)這些更強分子的復雜系統(tǒng)，所有這些都正確地面向工作。
隨著(zhù)聚輪烷的環(huán)(huán)鎖定在并排的位置，實(shí)驗室能夠將含有分子的聚合物混合物3D打印成格子狀結構?！霸?D打印出聚合物之后，我們使用了一種光固化工藝，類(lèi)似于在美甲店的硬化指甲油的紫外線(xiàn)燈來(lái)固化聚合物?！盞e說(shuō)?！拔覀兞糲鋁艘環(huán)N具有良好3D結構完整性和機械穩(wěn)定性的材料?！?/span>
研究人員發(fā)(fā)現(xiàn)，3D打印的晶格立方體結構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)(huán)結構從隨機穿梭轉移到靜止狀態(tài)(tài)，然后再次返回，研究人員可以很容易地控制材料的運動(dòng)。
“就像移動(dòng)珠子加強或削弱弦一樣，這種形狀變化是至關(guān)重要的，因為它允許將分子運動(dòng)放大到宏觀(guān)運動(dòng)?！盞e說(shuō)。
通過(guò)測試這些3D打印材料的機械功能，其結果令人印象深刻。根據研究人員稱(chēng)，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?！拔覀兿Ｍ@一進(jìn)步將使科學(xué)家能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)(fā)智能材料和設備，”Ke評論道?！襖紓ㄟ^(guò)對上升運動(dòng)增加收縮和扭曲，分子機器可以用作類(lèi)似于人類(lèi)可以做的復雜任務(wù)的軟機器人?！?/span>
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