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研究人员研发出具耐污潜力的智能材料

研究人员研发出具耐污潜力的智能材料

时 间: 2019-07-19

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摘 要:PROVIDENCE,RI——布朗大学的研究人员展示了一种利用氧化石墨烯(G…

PROVIDENCE,RI——布朗大学的研究人员展示了一种利用氧化石墨烯(GO)为以海藻酸盐制成的水凝胶材料添加一些结构架的方法。海藻酸盐是一种从海藻中提取的天然材料,目前被用于多种生物医学应用。在《碳》杂志上发表的一篇论文中,研究人员描述了一种3d打印方法,这种方法可以制造出复杂而耐用的海藻酸盐-GO结构,这种结构比海藻酸盐本身要坚硬得多,也更抗断裂。

 

“使用海藻酸盐水凝胶的一个限制因素是它们非常脆弱——它们在机械载荷或低盐溶液中易分崩离析,”领导这项研究的布朗大学工程学院博士生Thomas Valentin说。“我们展示的是,通过加入氧化石墨烯纳米薄片,可以使这些结构更加稳健。”

这种材料还能在不同的化学处理下变得更硬或更软,这意味着它可以用来制造出可对周围环境做出实时反应的“智能”材料。此外,藻酸盐-GO保留了海藻酸盐排斥油的能力,使新材料成为一种坚固的防污涂料。

 

用于制造这种材料的3D打印方法被称为立体平版印刷术。该技术使用由计算机辅助设计系统控制的紫外激光来追踪光活性聚合物溶液表面上的图案。光使聚合物结合在一起,从溶液中形成固体3D结构。重复跟踪过程,直到从底部向上逐层构建整个对象。在这种情况下,聚合物溶液是用海藻酸钠与氧化石墨烯片混合制成的,氧化石墨烯是一种碳基材料,形成一个原子厚的纳米片,比钢的强度要强。

 

该技术的一个优点是海藻酸钠聚合物通过离子键连接。这些化学键足够牢固,可以把材料粘在一起,但它们可被某些化学处理方法破坏。这使得材料能够对外部刺激做出动态响应。此前,布朗大学的研究人员证明,这种“离子交联”可以用来制造海藻酸盐材料,这种材料可以根据需要降解,当使用一种化学物质清除材料内部结构中的离子时,这种材料会迅速溶解。

 

对于该项新研究,研究人员希望了解氧化石墨烯是如何改变海藻酸盐结构的机械性能的。结果表明,藻酸盐-GO的硬度是单独的海藻酸盐的两倍,而且更能抵抗开裂的破坏。

 

“添加氧化石墨烯可以使藻酸盐水凝胶与氢键结合。”布朗的工程助理教授兼该论文的资深作者Ian Y. Wong说,“我们认为抗裂性是由于裂缝不得不绕过散布的石墨烯片,而不是通过均匀的海藻酸盐而直接断裂。”

 

这种额外的硬度使研究人员能够打印出具有悬垂部分的结构,而仅使用海藻酸盐是不可能做到的。此外,增加的硬度并不能阻止海藻酸盐-GO对外界刺激的反应,就像海藻酸盐单独作用一样。研究人员发现,通过将这些材料浸泡在去除离子的化学物质中,材料会膨胀并变得更柔软。当离子通过在离子盐中洗涤而恢复时,材料也恢复了它们的硬度。实验表明,通过改变材料的外部离子环境,可以将材料的硬度调整到原先的500倍以上。

 

研究人员说,改变其硬度的能力可以使海藻酸盐-GO在各种应用中发挥作用,包括涂料。

 

由于海藻酸盐-GO保留了纯海藻酸盐强大的防油性能,这种新材料可以制成出色的涂层,防止油污和其他污垢在表面堆积。在一系列的实验中,研究人员表明,海藻酸-GO涂层可以防止油在高盐条件下污染玻璃表面。研究人员表示,这可能可以使海藻酸盐-GO水凝胶用于海洋环境中的涂料和结构。

 

Wong说:“这些复合材料可作为海洋中的传感器,在石油泄漏时持续读取读数,或作为防污涂层,有助于保持船体的清洁。”石墨烯所提供的额外硬度将使这种材料或涂层比海藻酸盐单独使用时更耐用。

 

研究人员计划继续对这种新材料进行实验,寻找简化的生产方法,并继续优化其性能。

 

该研究的其他合著者还包括布朗大学的Alexander K. Landauer, Luke C. Morales, Eric M. DuBois, Shashank Shukla, Muchun Liu,和Lauren H. Stephens,以及威斯康星大学的Christian Franck和新加坡国立大学的Po-Yen Chen。美国教育部的GAANN纳米技术应用和影响培训赠款(P200A150037)、国家科学基金会(DGE-1058262)和布朗大学的Hibbitt博士后奖学金支持了这项研究。

 

图片:布朗大学的研究人员用海藻酸盐和纳米材料氧化石墨烯制成了一种混合材料。

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