新しい方法により光応答性ハイドロゲル構造の3Dプリントが可能に

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-7-23 11:46 に最後に編集されました

2024年7月23日、アンタークティックベアは、ノースカロライナ州立大学の研究チームがハイドロゲルに埋め込まれた金ナノロッドを使用し、3Dプリント技術で加工して、光の作用で収縮できる構造物を作成することに成功したことを知りました。これらの構造は、光が除去されると自動的に再び拡張します。これらの 3D プリント構造は再現可能な特性を備えているため、遠隔制御アクチュエータとして使用できます。

△研究者らは、金ナノロッドをハイドロゲルに組み込む方法を発見し、発光構造の3Dプリントを可能にした。ノースカロライナ州立大学の材料科学および工学教授、ジョー・トレイシー氏は、「3Dプリント技術を使用して、加熱すると収縮するハイドロゲルを印刷できることはわかっています。また、金ナノロッドをハイドロゲルに加えて光収縮性を持たせることもできることもわかっています。つまり、光にさらされると、可逆的に収縮するのです」と指摘した。

△この研究は「光熱アクチュエータとしての3Dプリントハイドロゲル」というタイトルでPolymers誌に掲載されました（ポータル）
光熱応答性ハイドロゲルの調製と応用

ハイドロゲルは水を含むポリマーネットワークです。ハイドロゲルは、コンタクトレンズからおむつに使用される吸収材まで、あらゆるものに使用されています。技術的に言えば、研究者たちは3Dプリンターを使ってハイドロゲルを直接印刷したわけではない。代わりに、彼らは金ナノロッドとハイドロゲルを作るのに必要なすべての成分を含む溶液を印刷しました。

「この印刷された溶液が光にさらされると、溶液中のポリマーが架橋分子構造を形成します」と、マクデブルクのオットー・フォン・ゲーリケ大学有機化学学部長のジュリアン・ティーレ氏は言う。「すると、溶液はハイドロゲルになり、閉じ込められた金ナノロッドが材料全体に分散されます。」

3D プリンターから出てくるプレハイドロゲル溶液は粘度が非常に低いため、通常の基板上に溶液を印刷することはできません。そうしないと、3D 構造ではなく水たまりが形成されます。

△感熱性ハイドロゲルは、光熱加熱によって形状を変えることができる金ナノロッド（GNR）を埋め込んだ状態で3Dプリントされています。この問題を解決するために、研究者はゼラチン微粒子の半透明スラリーに溶液をプリントしました。プリンターのノズルは透明な接着剤を貫通し、必要な形状で溶液を印刷することができます。ゼラチンは半透明なので、光がマトリックスを透過し、溶液を固体のハイドロゲルに変換することができます。完成したら、モデル全体を温水に浸します。これによりゼラチンが溶解し、3次元のハイドロゲル構造が残ります。

これらのハイドロゲル構造が光にさらされると、内蔵の金ナノロッドが光を熱に変換します。これにより、ハイドロゲル内のポリマーが収縮し、水が絞り出されて構造が縮小します。しかし、光源が取り除かれると、ポリマーは冷えて再び水を吸収し始め、ハイドロゲル構造は元の寸法に戻ります。

この技術の利点は、金ナノロッドの光熱効果を利用してハイドロゲル構造の制御可能な変形を実現し、複雑な形状を持ち、環境の変化に対応できるスマート材料を印刷する新しい方法を提供できることです。

△ 材料設計と製造、および駆動実験方法の概略図論文の筆頭著者であるメラニー・ゲラルディーニ氏は、「私たちは、加熱すると収縮するハイドロゲルについて多くの研究を行ってきました。私たちは、ハイドロゲルが光にさらされると同じことが起こることを実証し、この材料を 3D プリントすることもできます。これは、これまで直接加熱を必要としていたアプリケーションを、照明によって遠隔的に起動できることを意味します」と述べています。

ティーレ氏はさらに次のように付け加えた。「ハイドロゲル構造の 3D プリントは従来の鋳造に代わるもので、設計の自由度がほぼ無制限です。さらに、光収縮性材料が光によって収縮したり膨張したりするので、目立った動きを事前にプログラムすることができます。」

一般的に、この技術は科学研究で広く使用されているだけでなく、日常生活におけるウェアラブルデバイス、スマートセンサー、医療機器にも大きな影響を与える可能性があります。今後の研究により、この材料の光熱応答特性がさらに最適化され、より幅広い分野への応用の可能性が広がる可能性があります。

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