膨脹成剪紙狀結構的激光圖案薄膜為水凝膠技術提供了新的機遇

東京農業(yè)科技大學 (TUAT) 的研究人員開發(fā)出了用于制造精細結構的柔軟、靈活和可膨脹材料(稱為水凝膠)的新選擇。

他們的工作擴展了“剪紙水凝膠”這一新興領域，其中圖案被切割成薄膜，使其隨后膨脹成復雜的水凝膠結構。該研究發(fā)表在《先進材料科學與技術》雜志上。

水凝膠具有吸水(親水)分子網(wǎng)絡，當暴露于水并融入分子網(wǎng)絡時，其結構會大幅膨脹。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，纖維素是構成植物細胞壁大部分結構的天然材料。

他們使用激光加工將結構切割成薄膜，然后添加水以使薄膜膨脹。剪紙圖案的特殊設計是這樣的，當縱向拉伸時，寬度會增加，這被稱為拉脹特性。如果原始薄膜濕潤時厚度充分增長，就會出現(xiàn)這種拉脹特性。

“由于 Kirigami 字面意思是紙張的切割設計，它最初是用于薄片結構。另一方面，當薄片厚度足夠時，我們的二維拉脹機制就會顯現(xiàn)出來，而水凝膠結構的這種三維性使用時會因膨脹而出現(xiàn)。使用前將其儲存在干燥狀態(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，導致水凝膠自適應變形達到另一種結構狀態(tài)。這對于智能材料的設計非常重要。”

自適應水凝膠的潛在應用包括機器人技術的軟組件，例如，使它們在與所操縱的物體交互時能夠靈活響應。它們也可能被整合到軟開關和傳感器組件中。

水凝膠還被探索用于醫(yī)療應用，包括組織工程、傷口敷料、藥物輸送系統(tǒng)和能夠靈活適應運動和生長的材料。 TUAT 團隊在剪紙水凝膠方面取得的進步顯著擴展了未來水凝膠應用的選擇。

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