布朗大學(xué)(BrownUniversity)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(yī)學(xué)應(yīng)用。研究人員描述了一種3d打印方法，用于制作復(fù)雜而耐用的海藻酸鹽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)要比單獨(dú)使用海藻酸鹽堅(jiān)硬得多，也更耐斷裂。

使用藻酸鹽水凝膠的一個(gè)限制因素是它們非常脆弱——它們?cè)跈C(jī)械負(fù)載或低鹽溶液中容易分解，通過(guò)加入氧化石墨烯納米薄片，我們可以讓這些結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。

研究顯示，這種材料在不同的化學(xué)處理下也能變得更硬或更軟，這意味著它可以用來(lái)制造能夠?qū)χ車h(huán)境做出實(shí)時(shí)反應(yīng)的“智能”材料。此外，海藻酸-氧化石墨烯保留了海藻酸鹽驅(qū)油的能力，使這種新材料有可能成為一種堅(jiān)固的防污涂料。

用來(lái)制作這種材料的3d打印方法被稱為立體石版印刷。該技術(shù)使用由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(jié)合在一起，從溶液中形成立體結(jié)構(gòu)。跟蹤過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直到從頭到尾逐層構(gòu)建整個(gè)對(duì)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(qiáng)度要高。

這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是海藻酸鈉聚合物通過(guò)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(xué)處理破壞。這使得材料能夠?qū)ν饨绱碳ぷ龀鰟?dòng)態(tài)反應(yīng)。此前，研究人員證明，這種“離子交聯(lián)”可用于制造可按需降解的海藻酸鹽材料，當(dāng)使用一種化學(xué)物質(zhì)清除材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的離子時(shí)，這種材料會(huì)迅速溶解。

在這項(xiàng)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(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。結(jié)果表明，海藻酸-氧化石墨烯的硬度是單獨(dú)使用海藻酸鹽的兩倍，而且更能抵抗開(kāi)裂的破壞。

氧化石墨烯的加入通過(guò)氫鍵穩(wěn)定藻酸鹽水凝膠，抗斷裂性是由于裂紋不得不繞著散布的石墨烯薄片繞道而行，而不是通過(guò)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(jié)構(gòu)，這在單獨(dú)使用海藻酸鹽時(shí)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(duì)外界刺激的反應(yīng)，就像海藻酸鹽單獨(dú)作用一樣。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將這些材料浸泡在一種能去除其離子的化學(xué)物質(zhì)中，這些材料會(huì)膨脹，變得更加柔軟。當(dāng)離子在離子鹽中浸泡后得到恢復(fù)時(shí)，材料就恢復(fù)了它們的硬度。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)改變材料的外部離子環(huán)境，可以將材料的剛度調(diào)整到500倍以上。研究人員說(shuō)，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(yīng)用中發(fā)揮作用，包括動(dòng)態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)。這可能有助于研究癌細(xì)胞或免疫細(xì)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(qiáng)力拒油性能，這種新材料可以制成一種極好的涂料，防止油污和其他污垢在表面積聚。在一系列的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在高鹽條件下，海藻酸氧化石墨烯涂層可以防止油污染玻璃表面。研究人員說(shuō)，這可能使海藻酸鹽水凝膠用于海洋環(huán)境中的涂層和結(jié)構(gòu)。

新型“智能”材料=海藻酸鹽+氧化石墨烯

這些復(fù)合材料可以用作海洋中的傳感器，在石油泄漏時(shí)持續(xù)讀取數(shù)據(jù)，也可以作為防污涂層，幫助保持船體清潔。石墨烯提供的額外硬度將使此類材料或涂層遠(yuǎn)比海藻酸鹽更耐用。研究人員計(jì)劃繼續(xù)對(duì)這種新材料進(jìn)行試驗(yàn)，尋找使其生產(chǎn)合理化并繼續(xù)優(yōu)化其性能的方法。