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新“4D打印”材料能在熱水中改變形狀

2015-05-13 09:17 來源：安珀網(廣州) 責編：江佳

摘要：: 澳大利亞臥龍崗大學的科研人員們開發出一款兼容3D打印機的水凝膠，這款水凝膠材質堅勁，而且能根據水溫不斷改變形狀。這些科學家們通過3D打印一個自動水閥展示了這項技術，另外，這款材料還能用來制作柔軟的機器人，定制設計傳感器，以及自主組裝宏觀結構。

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【CPP114】訊：澳大利亞臥龍崗大學的科研人員們開發出一款兼容3D打印機的水凝膠，這款水凝膠材質堅勁，而且能根據水溫不斷改變形狀。這些科學家們通過3D打印一個自動水閥展示了這項技術，另外，這款材料還能用來制作柔軟的機器人，定制設計傳感器，以及自主組裝宏觀結構。

所謂“4D打印”的目的是增材制造擴展至時間上的維度。該理念是通過使用對熱量、水或者壓力敏感的特殊材質來制作3D打印物品，這些物品即使從打印機中出來很久了，還能依據環境情況用非常具體、有目的的方式自動改變形狀。在某些情況下，有些物品甚至能恢復到它們原來的形狀。

4D打印的例子包括烘烤時能簡單自組裝的物品，能根據水、熱量或者壓力彎曲成型的聚合物，以及受自組裝納米結構啟發的智能繩索。不過，無可否認的是，4D打印目前的階段距離實用階段還非常遠，但這項技術非常年輕，而且很可能會取得重大進步，就像3D打印一樣。

據het Panhuis以及團隊里的Marc教授稱，目前4D打印應用能讓物品在形狀上有劇烈的改變，但通常都需要較長的反應時間，而隨著這些材料彎曲，它們會失去機械強度，此外只要達到某一點，形狀改變才可逆。因此，科學家們開發出一款特殊的水凝膠，這款水凝膠能依據水溫的改變生成快速、可逆以及機械性可靠的改變。

研究人員創造出一款使用堅硬離子共價糾纏（ICE）凝膠的材質作為活性物質，濃度達20%。ICE凝膠包含兩種依靠交聯離子與共價化學鍵的聚合物網絡。這個獨特的結構讓材質更堅硬，而且可預防結構內的微觀裂縫，避免災難性的機械故障。

超過35C(95F)的臨界溫度，凝膠就會迅速失去大部分的含水量，大約為50%。Panhuis以及同事們把這一現象作為3D打印的一個閥門，當遇到熱水時，它就會關閉，把99%的水分鎖住，當水溫下降時，它就會打開。跟標準3D打印材質不一樣的是，這款凝膠變體時無需人為干涉，而且無需費力就能反復開關。

雖然這項技術仍處于初始階段，但像這樣的可變形材料（不管是遇水、遇熱或者壓力而變形）在建筑中可能會引領巨大進步，在一些極端環境，例如外太空里，很輕易就能組裝材料，而無需依靠人類或者是昂貴的精制機器人。此外，如果未來的3D打印進化到分子層面，那么醫學應用方面可能會得到真正的革新。

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