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海藻酸鹽+氧化石墨烯=新型“智能”材料

通過将海藻衍生的海藻酸鹽與納米材料氧化石墨烯結合,研究人員開發出一種耐用且能對環境做出動态反應的新材料。

布朗大學(Brown University)的研究人員展示了一種利用氧化石墨烯(氧化石墨烯,GO)為海藻酸鹽制成的水凝膠材料添加骨架的方法。海藻酸鹽是一種從海藻中提取的天然材料,目前被用于多種生物醫學應用。研究人員描述了一種3d打印方法,用于制作複雜而耐用的海藻酸鹽結構,這種結構要比單獨使用海藻酸鹽堅硬得多,也更耐斷裂。

使用藻酸鹽水凝膠的一個限制因素是它們非常脆弱——它們在機械負載或低鹽溶液中容易分解,通過加入氧化石墨烯納米薄片,我們可以讓這些結構更加堅固。

研究顯示,這種材料在不同的化學處理下也能變得更硬或更軟,這意味着它可以用來制造能夠對周圍環境做出實時反應的“智能”材料。此外,海藻酸-氧化石墨烯保留了海藻酸鹽驅油的能力,使這種新材料有可能成為一種堅固的防污塗料。

用來制作這種材料的3d打印方法被稱為立體石版印刷。該技術使用由計算機輔助設計系統控制的紫外激光追蹤光活性聚合物溶液表面的圖案。光線使聚合物結合在一起,從溶液中形成立體結構。跟蹤過程重複進行,直到從頭到尾逐層構建整個對象。在這種情況下,聚合物溶液是用海藻酸鈉與氧化石墨烯薄片混合制成的,氧化石墨烯是一種碳基材料,形成單原子厚的納米薄片,比鋼的強度要高。

這項技術的一個優點是海藻酸鈉聚合物通過離子鍵連接。這些鍵足夠牢固,可以把材料粘在一起,但它們可以被某些化學處理破壞。這使得材料能夠對外界刺激做出動态反應。此前,研究人員證明,這種“離子交聯”可用于制造可按需降解的海藻酸鹽材料,當使用一種化學物質清除材料内部結構中的離子時,這種材料會迅速溶解。

在這項新研究中,研究人員希望了解氧化石墨烯如何改變海藻酸鹽結構的力學性能。結果表明,海藻酸-氧化石墨烯的硬度是單獨使用海藻酸鹽的兩倍,而且更能抵抗開裂的破壞。

氧化石墨烯的加入通過氫鍵穩定藻酸鹽水凝膠,抗斷裂性是由于裂紋不得不繞着散布的石墨烯薄片繞道而行,而不是通過均勻的海藻酸鹽就能直接斷裂。

額外的剛度使得研究人員能夠打印出有懸垂部分的結構,這在單獨使用海藻酸鹽時是不可能的。而且,增加的硬度并不能阻止海藻酸鹽-氧化石墨烯對外界刺激的反應,就像海藻酸鹽單獨作用一樣。研究人員發現,通過将這些材料浸泡在一種能去除其離子的化學物質中,這些材料會膨脹,變得更加柔軟。當離子在離子鹽中浸泡後得到恢複時,材料就恢複了它們的硬度。實驗表明,通過改變材料的外部離子環境,可以将材料的剛度調整到500倍以上。研究人員說,這種改變其硬度的能力可以使海藻酸鹽-氧化石墨烯在各種應用中發揮作用,包括動态細胞培養。這可能有助于研究癌細胞或免疫細胞如何在全身不同器官間遷移。

由于海藻酸-氧化石墨烯保留了純海藻酸鹽的強力拒油性能,這種新材料可以制成一種極好的塗料,防止油污和其他污垢在表面積聚。在一系列的實驗中,研究人員發現,在高鹽條件下,海藻酸氧化石墨烯塗層可以防止油污染玻璃表面。研究人員說,這可能使海藻酸鹽水凝膠用于海洋環境中的塗層和結構。

這些複合材料可以用作海洋中的傳感器,在石油洩漏時持續讀取數據,也可以作為防污塗層,幫助保持船體清潔。石墨烯提供的額外硬度将使此類材料或塗層遠比海藻酸鹽更耐用。研究人員計劃繼續對這種新材料進行試驗,尋找使其生産合理化并繼續優化其性能的方法。

本文來自江南石墨烯研究院,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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