輪烷類(lèi)化合物是啞鈴狀分子，能夠?qū)⒐狻岬刃问降妮斎肽芰哭D(zhuǎn)化為分子運(yùn)動(dòng)。換句話(huà)說(shuō)，它們會(huì)對(duì)外部刺激作出移動(dòng)反應(yīng)。它們也被稱(chēng)為納米機(jī)器。

美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院的Chenfeng Ke博士及其實(shí)驗(yàn)室用輪烷類(lèi)化合物開(kāi)發(fā)出一種超強(qiáng)的智能材料。通過(guò)3D打印這些納米級(jí)分子，他們創(chuàng)造出這一種納米級(jí)的聚合物晶格立方體，能舉起15倍自身重量，這相當(dāng)于一個(gè)人舉起一輛汽車(chē)。

“我們的設(shè)計(jì)是基于一個(gè)被廣泛研究的分子族——聚輪烷，”Ke博士解釋說(shuō)，“它們?cè)谝粋€(gè)分子軸上有多個(gè)環(huán)。在我們的新材料中，這些環(huán)是一種環(huán)狀糖，而分子軸則是一種聚合物。如果我們提供一個(gè)外部刺激，如加水，這些原本隨意來(lái)回穿梭的環(huán)可以相互粘合，形成一個(gè)管狀陣列。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，分子的剛度會(huì)被改變。這就像許多滑動(dòng)的珠子被穿在一條繩上，從而讓繩子堅(jiān)固得像一根桿?！?/span>

Ke博士及其團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是從數(shù)十億個(gè)與水結(jié)合在一起的分子中構(gòu)建一種聚合物。他說(shuō)，讓輪烷類(lèi)化合物工作的難點(diǎn)在于，當(dāng)這些納米機(jī)器隨機(jī)取向時(shí)，它們的環(huán)運(yùn)動(dòng)相互抵消，從而使其在宏觀尺度上毫無(wú)用處。然而，3D打印它們使得研究人員可以控制它們的運(yùn)動(dòng)。

“通過(guò)整合3D打印技術(shù)，我們能將這些納米級(jí)環(huán)的隨機(jī)穿梭運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為可在宏觀尺度上工作的智能材料，”Ke博士繼續(xù)解釋說(shuō)，“將分子全部按正確的方向排列可放大其運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們加水時(shí)，聚輪烷的環(huán)通過(guò)氫鍵粘在一起。隨后，管狀陣列以一種更有序的方式堆疊在一起?！?/span>

“當(dāng)它們處于這種構(gòu)造時(shí)，分子協(xié)調(diào)變得更容易。在這種基礎(chǔ)上，我們成功打印出晶格狀的3D結(jié)構(gòu)。”

一旦結(jié)構(gòu)打印出來(lái)，Ke博士的團(tuán)隊(duì)固化它們，然后讓它們工作。由于帶有中空的格子結(jié)構(gòu)，這些3D打印立方體很容易變形和改造。通過(guò)使用一種溶劑作為催化劑，團(tuán)隊(duì)能隨意切換分子的環(huán)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從隨意穿梭到靜止，再重新回到隨意穿梭。外行的說(shuō)法是，通過(guò)添加和去除一種溶劑，他們能讓立方體膨脹，從而舉起一個(gè)物體，然后再讓立方體還原到最初形狀。

研究人員用這種3D打印立方體舉起了一個(gè)1.6毫米的小硬幣，雖然聽(tīng)起來(lái)微不足道，但Ke博士說(shuō)，這對(duì)讓納米機(jī)器在宏觀上工作來(lái)說(shuō)卻是一大進(jìn)步。

“我們希望科學(xué)家能用這種3D打印立方體來(lái)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)智能材料和設(shè)備，”他總結(jié)說(shuō)，“例如，通過(guò)為這種上升運(yùn)動(dòng)加入收縮和扭曲，這些分子機(jī)器可被用作柔性機(jī)器人，來(lái)執(zhí)行類(lèi)似于人類(lèi)才能完成的復(fù)雜任務(wù)?！?/span>