海藻酸盐+氧化石墨烯=新型“智能”材料
2018-11-28 11:54:34
作者：本网整理 来源：江南石墨烯研究院
通过将海藻衍生的海藻酸盐与纳米材料氧化石墨烯结合，研究人员开发出一种耐用且能对环境做出动态反应的新材料。
布朗大学（Brown University）的研究人员展示了一种利用氧化石墨烯（氧化石墨烯，GO）为海藻酸盐制成的水凝胶材料添加骨架的方法。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。研究人员描述了一种3d打印方法，用于制作复杂而耐用的海藻酸盐结构，这种结构要比单独使用海藻酸盐坚硬得多，也更耐断裂。
使用藻酸盐水凝胶的一个限制因素是它们非常脆弱——它们在机械负载或低盐溶液中容易分解，通过加入氧化石墨烯纳米薄片，我们可以让这些结构更加坚固。
研究显示，这种材料在不同的化学处理下也能变得更硬或更软，这意味着它可以用来制造能够对周围环境做出实时反应的“智能”材料。此外，海藻酸-氧化石墨烯保留了海藻酸盐驱油的能力，使这种新材料有可能成为一种坚固的防污涂料。
用来制作这种材料的3d打印方法被称为立体石版印刷。该技术使用由计算机辅助设计系统控制的紫外激光追踪光活性聚合物溶液表面的图案。光线使聚合物结合在一起，从溶液中形成立体结构。跟踪过程重复进行，直到从头到尾逐层构建整个对象。在这种情况下，聚合物溶液是用海藻酸钠与氧化石墨烯薄片混合制成的，氧化石墨烯是一种碳基材料，形成单原子厚的纳米薄片，比钢的强度要高。
这项技术的一个优点是海藻酸钠聚合物通过离子键连接。这些键足够牢固，可以把材料粘在一起，但它们可以被某些化学处理破坏。这使得材料能够对外界刺激做出动态反应。此前，研究人员证明，这种“离子交联”可用于制造可按需降解的海藻酸盐材料，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。
在这项新研究中，研究人员希望了解氧化石墨烯如何改变海藻酸盐结构的力学性能。结果表明，海藻酸-氧化石墨烯的硬度是单独使用海藻酸盐的两倍，而且更能抵抗开裂的破坏。
氧化石墨烯的加入通过氢键稳定藻酸盐水凝胶，抗断裂性是由于裂纹不得不绕着散布的石墨烯薄片绕道而行，而不是通过均匀的海藻酸盐就能直接断裂。
额外的刚度使得研究人员能够打印出有悬垂部分的结构，这在单独使用海藻酸盐时是不可能的。而且，增加的硬度并不能阻止海藻酸盐-氧化石墨烯对外界刺激的反应，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一种能去除其离子的化学物质中，这些材料会膨胀，变得更加柔软。当离子在离子盐中浸泡后得到恢复时，材料就恢复了它们的硬度。实验表明，通过改变材料的外部离子环境，可以将材料的刚度调整到500倍以上。研究人员说，这种改变其硬度的能力可以使海藻酸盐-氧化石墨烯在各种应用中发挥作用，包括动态细胞培养。这可能有助于研究癌细胞或免疫细胞如何在全身不同器官间迁移。
由于海藻酸-氧化石墨烯保留了纯海藻酸盐的强力拒油性能，这种新材料可以制成一种极好的涂料，防止油污和其他污垢在表面积聚。在一系列的实验中，研究人员发现，在高盐条件下，海藻酸氧化石墨烯涂层可以防止油污染玻璃表面。研究人员说，这可能使海藻酸盐水凝胶用于海洋环境中的涂层和结构。
这些复合材料可以用作海洋中的传感器，在石油泄漏时持续读取数据，也可以作为防污涂层，帮助保持船体清洁。石墨烯提供的额外硬度将使此类材料或涂层远比海藻酸盐更耐用。研究人员计划继续对这种新材料进行试验，寻找使其生产合理化并继续优化其性能的方法。
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