膨脹成剪紙狀結(jié)構(gòu)的激光圖案薄膜為水凝膠技術(shù)提供了新的機(jī)遇

東京農(nóng)業(yè)科技大學(xué) (TUAT) 的研究人員開發(fā)出了用于制造精細(xì)結(jié)構(gòu)的柔軟、靈活和可膨脹材料(稱為水凝膠)的新選擇。

他們的工作擴(kuò)展了“剪紙水凝膠”這一新興領(lǐng)域，其中圖案被切割成薄膜，使其隨后膨脹成復(fù)雜的水凝膠結(jié)構(gòu)。該研究發(fā)表在《先進(jìn)材料科學(xué)與技術(shù)》雜志上。

水凝膠具有吸水(親水)分子網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)暴露于水并融入分子網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其結(jié)構(gòu)會(huì)大幅膨脹。研究人員中川大輔和花崎五雄研究了一種由纖維素納米纖維組成的干膜，纖維素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁大部分結(jié)構(gòu)的天然材料。

他們使用激光加工將結(jié)構(gòu)切割成薄膜，然后添加水以使薄膜膨脹。剪紙圖案的特殊設(shè)計(jì)是這樣的，當(dāng)縱向拉伸時(shí)，寬度會(huì)增加，這被稱為拉脹特性。如果原始薄膜濕潤(rùn)時(shí)厚度充分增長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)這種拉脹特性。

“由于 Kirigami 字面意思是紙張的切割設(shè)計(jì)，它最初是用于薄片結(jié)構(gòu)。另一方面，當(dāng)薄片厚度足夠時(shí)，我們的二維拉脹機(jī)制就會(huì)顯現(xiàn)出來，而水凝膠結(jié)構(gòu)的這種三維性使用時(shí)會(huì)因膨脹而出現(xiàn)。使用前將其儲(chǔ)存在干燥狀態(tài)比保持水凝膠相同的含水量更方便。”Hanasaki 說。

“此外，在循環(huán)加載過程中保持拉脹性，導(dǎo)致水凝膠自適應(yīng)變形達(dá)到另一種結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這對(duì)于智能材料的設(shè)計(jì)非常重要。”

自適應(yīng)水凝膠的潛在應(yīng)用包括機(jī)器人技術(shù)的軟組件，例如，使它們?cè)谂c所操縱的物體交互時(shí)能夠靈活響應(yīng)。它們也可能被整合到軟開關(guān)和傳感器組件中。

水凝膠還被探索用于醫(yī)療應(yīng)用，包括組織工程、傷口敷料、藥物輸送系統(tǒng)和能夠靈活適應(yīng)運(yùn)動(dòng)和生長(zhǎng)的材料。 TUAT 團(tuán)隊(duì)在剪紙水凝膠方面取得的進(jìn)步顯著擴(kuò)展了未來水凝膠應(yīng)用的選擇。

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