科学家借3D打印研发4D材料制造分子机器

近日，美国达特茅斯学院的ChenfengKe博士及其实验室用轮烷类化合物开发出一种超强的智能材料，并利用3D打印技术，使之成为一种纳米级的聚合物晶格立方体。这种4D材料能举起15倍于自身重量的物体，应用前景广阔。

轮烷类化合物是哑铃状分子，能够将光、热等形式的输入能量转化为分子运动。换句话说，它们会对外部刺激作出移动反应。它们也被称为纳米机器。

美国达特茅斯学院的ChenfengKe博士及其实验室用轮烷类化合物开发出一种超强的智能材料。通过3D打印这些纳米级分子，他们创造出这一种纳米级的聚合物晶格立方体，能举起15倍自身重量，这相当于一个人举起一辆汽车。

“我们的设计是基于一个被广泛研究的分子族——聚轮烷，”Ke博士解释说，“它们在一个分子轴上有多个环。在我们的新材料中，这些环是一种环状糖，而分子轴则是一种聚合物。如果我们提供一个外部刺激，如加水，这些原本随意来回穿梭的环可以相互粘合，形成一个管状阵列。当这种情况发生时，分子的刚度会被改变。这就像许多滑动的珠子被穿在一条绳上，从而让绳子坚固得像一根杆。”

Ke博士及其团队的目标是从数十亿个与水结合在一起的分子中构建一种聚合物。他说，让轮烷类化合物工作的难点在于，当这些纳米机器随机取向时，它们的环运动相互抵消，从而使其在宏观尺度上毫无用处。然而，3D打印它们使得研究人员可以控制它们的运动。

“通过整合3D打印技术，我们能将这些纳米级环的随机穿梭运动转化为可在宏观尺度上工作的智能材料，”Ke博士继续解释说，“将分子全部按正确的方向排列可放大其运动。当我们加水时，聚轮烷的环通过氢键粘在一起。随后，管状阵列以一种更有序的方式堆叠在一起。”

“当它们处于这种构造时，分子协调变得更容易。在这种基础上，我们成功打印出晶格状的3D结构。”

一旦结构打印出来，Ke博士的团队固化它们，然后让它们工作。由于带有中空的格子结构，这些3D打印立方体很容易变形和改造。通过使用一种溶剂作为催化剂，团队能随意切换分子的环结构的运动状态，从随意穿梭到静止，再重新回到随意穿梭。外行的说法是，通过添加和去除一种溶剂，他们能让立方体膨胀，从而举起一个物体，然后再让立方体还原到最初形状。

研究人员用这种3D打印立方体举起了一个1．6毫米的小硬币，虽然听起来微不足道，但Ke博士说，这对让纳米机器在宏观上工作来说却是一大进步。

“我们希望科学家能用这种3D打印立方体来进一步开发智能材料和设备，”他总结说，“例如，通过为这种上升运动加入收缩和扭曲，这些分子机器可被用作柔性机器人，来执行类似于人类才能完成的复杂任务。”