细菌被用来制造类似骨质的3D打印复合材料

细菌被用来制造类似骨质的3D打印复合材料为了寻求更好的替代方案，瑞士EPFL研究所的科学家们将一种名为Sporosarcinapasteurii的细菌与一种生态友好的聚合物凝胶结合起来。被称为BactoInk的混合物被挤压成所需的形状，形成一个具有类似支架的三维微结构的凝胶状物体，细菌在其中"栖息"。接下来，该物体被暴露在一个含有尿素的溶液中。这使得细菌产生坚硬的碳酸钙，最终取代了柔软的凝胶。最后，该物品被浸泡在乙醇溶液中，杀死细菌。正在打印的BactoInk物体，在进行尿素处理之前在迄今为止进行的实验室测试中，碳酸钙含量超过90%的成品在"大约四天"内就能完成。随着技术的进一步发展，这两个数字可能会得到改善。希望有一天，这种材料可以用于生产人工珊瑚，这些珊瑚将由珊瑚虫填充，一旦被放置在受损的珊瑚礁中，就会转化为"真正的"珊瑚。这种材料也可以直接被挤压到骨头缺失的地方，形成新的骨头来填补空缺。而在另一个建议的应用中，这种材料可能被用来修复受损的艺术品，如雕像。与MatteoHirsch、LorenzoLucherini、RanZhao和AlexandraClaràSaracho一起领导这项研究的EstherAmstad副教授说："BactoInk加工的多功能性，加上矿化材料的低环境影响和出色的机械性能，为制造轻质、承重的复合材料提供了许多新的可能性，这些材料比今天的合成复合材料更接近于天然材料。"有关这项研究的论文最近发表在《今日材料》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346105.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346105.htm

受贝壳启发 一种水泥复合材料的柔韧性提高了19倍

受贝壳启发一种水泥复合材料的柔韧性提高了19倍大自然以利用有限、适度的材料开发轻质而坚韧的材料而闻名，这些材料被排列成巧妙的结构。以珍珠质为例。一些软体动物贝壳闪闪发光的内层通常被称为珍珠母，它是一种有机-无机复合材料，由硬质矿物文石的六角形薄片组成的三维砖墙图案，由柔软的超弹性生物聚合物粘合而成。虽然文石片非常脆，但生物聚合物的柔韧性使其能够在拉应力作用下滑动，从而使珍珠质成为一种坚韧的材料，能够在断裂前发生显著变形。现在，普林斯顿大学土木与环境工程系的研究人员通过模仿天然珍珠质的结构，创造出了一种新型的优质水泥复合材料。天然珍珠层由文石薄片组成，由一种超弹性生物聚合物粘合在一起这项研究的第一作者、普林斯顿大学工程系研究生沙山克-古普塔（ShashankGupta）说："软硬成分之间的协同作用是珍珠质具有非凡机械特性的关键。如果我们能设计出抵抗裂纹扩展的混凝土，我们就能让它变得更坚硬、更安全、更耐用。"为了制作珍珠状复合材料，研究人员用水泥浆片制作了六角形片材，并将其分层，中间用聚乙烯硅氧烷（PVS）隔开，聚乙烯硅氧烷是一种超弹性生物聚合物。然后用这种材料制成的横梁对复合材料的机械响应进行了测试，并与用固体（整体）浇注水泥浆制成的横梁进行了比较。研究人员对梁进行了缺口三点弯曲（3PB）试验，即在梁的中部向下施压，在两端向上施压，以评估抗裂性或断裂韧性。试验结果表明，水泥浆浇注的"硬"梁很脆；由于没有柔韧性（延展性），它们在达到失效点时突然完全断裂。相比之下，珍珠质复合梁的延展性是对照梁的19倍，断裂韧性是对照梁的17.1倍，而强度几乎相同。研究人员制作的珍珠质水泥复合材料示意图普林斯顿大学建筑材料与增材制造（AM2）实验室负责人、该研究的通讯作者雷扎-莫伊尼（RezaMoini）说："我们的生物启发方法不是简单地模仿自然界的微观结构，而是学习其基本原理，并利用这些原理来指导人造材料的工程设计。使珍珠质外壳坚硬的关键机制之一是纳米级的片状滑动。在这里，我们重点研究了片剂滑动的机制，通过工程设计使水泥浆的内置表层结构与聚合物的特性以及它们之间的界面保持平衡。换句话说，我们有意在脆性材料中设计缺陷，以此在设计上使其变得更坚固"。当然，这些结果都是在实验室中得出的。研究人员计划在实际环境中测试生物启发水泥复合材料，并研究其机械性能是否可用于提高混凝土和瓷器等其他材料的抗裂性。这项研究发表在《先进功能材料》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434604.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434604.htm

科学家发明用于填充和愈合断骨的植入式复合材料

科学家发明用于填充和愈合断骨的植入式复合材料该效果图显示了如何使用这种材料临时替代断裂处缺失的骨头合作小组包括海德堡大学医院创伤与整形外科、医疗工程公司BellaSeno以及弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所。该项目一开始的想法是，当发生可能有问题的骨折时，医务人员将首先对骨折部位进行CT扫描。根据扫描结果，用新型复合材料打印出定制的三维支架。然后，该结构将通过手术应用于断裂部位，从而填补骨组织缺失的区域。最后，支架将由从患者髋部或其他大块骨骼中提取的骨髓填充。由项目合作伙伴BellaSenoBellaSeno三维打印的支架复合材料本身是生物活性玻璃和一种名为聚己内酯的生物可降解聚合物的组合，后者能增强支架的结构强度。据弗劳恩霍夫公司称，生物活性玻璃能将断裂处的pH值提高到碱性水平，从而抑制细菌生长。此外，当玻璃与体液接触时，会转化为一种非常类似骨骼的化合物，即羟基磷灰石。海德堡大学医院创伤外科医生兼实验创伤外科主任托比亚斯-格罗斯纳博士说："六到七年后，支架将完全生物降解并转化为骨骼。"科学家们已经开始在临床前试验中试用这项技术。他们还在调整复合材料的配方，以便最大限度地提高生物活性玻璃的含量，同时保持足够的强度。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395505.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395505.htm

人工肌肉首次弯曲：铁电聚合物在机器人领域的创新

人工肌肉首次弯曲：铁电聚合物在机器人领域的创新图为由焦耳加热驱动的铁电聚合物的驱动力机械应变，即材料在受力时如何改变形状，是执行器的一个重要属性，执行器是指在施加电能等外力时将改变或变形的任何材料。传统上，这些执行器材料是刚性的，但软性执行器，如铁电聚合物，显示出更高的灵活性和环境适应性。研究表明，铁电聚合物纳米复合材料有可能克服传统压电聚合物复合材料的局限性，为开发具有更强应变性能和机械能量密度的软执行器提供了一条有希望的途径。由于软执行器的强度、功率和灵活性，机器人研究人员对其特别感兴趣。宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系教授、最近发表在《自然-材料》杂志上的研究报告的共同通讯作者QingWang说："我们现在有可能拥有一种软体机器人，我们称之为人工肌肉。这将使我们能够拥有软性物质，除了大的应变外，还能承载高负荷。因此，这种材料就会更多地模仿人类肌肉，一种接近人类肌肉的材料。"然而，在这些材料能够实现其承诺之前，还有一些障碍需要克服，研究报告中提出了解决这些障碍的潜在方案。铁电体是一类材料，当施加外部电荷，材料中的正负电荷走向不同的极点时，会表现出自发的电极化。这些材料在相变过程中的应变，在这种情况下，将电能转换为机械能，可以完全改变其形状等属性，使其成为有用的执行器。铁电致动器的一个常见应用是喷墨打印机，电荷改变致动器的形状，以精确控制在纸上沉积墨水的微小喷嘴，形成文字和图像。虽然许多铁电材料是陶瓷，但它们也可以是聚合物，这是一类由许多类似单元粘合在一起的天然和合成材料。例如，DNA是一种聚合物，尼龙也是如此。铁电聚合物的一个优点是它们表现出驱动所需的大量电场诱导的应变。这种应变远远高于其他用于执行器的铁电材料所产生的应变，如陶瓷。铁电材料的这一特性，以及高度的灵活性、与其他铁电材料相比成本的降低和低重量，对日益增长的软体机器人领域的研究人员有着极大的兴趣，软体机器人是指具有柔性部件和电子器件的机器人设计。Wang说："在这项研究中，我们为软材料驱动领域的两个主要挑战提出了解决方案。一个是如何提高软材料的力。我们知道作为聚合物的软驱动材料具有最大的应变能力，但与压电陶瓷相比，它们产生的力要小得多。"第二个挑战是，铁电聚合物致动器通常需要一个非常高的驱动场，这是一个在系统中施加变化的力，例如致动器的形状变化。在这种情况下，高驱动场对于在聚合物中产生成为致动器所需的铁电反应的形状变化是必要的。为改善铁电聚合物的性能而提出的解决方案是开发一种渗流式铁电聚合物纳米复合材料--一种附着在聚合物上的微观贴纸。通过将纳米颗粒纳入一种聚合物--聚偏二氟乙烯，研究人员在聚合物内创建了一个相互连接的极点网络。这个网络使铁电相变能够在比通常所需的低得多的电场下被诱导出来。这是通过使用焦耳加热的电热方法实现的，当电流通过导体时，会产生热量。使用焦耳加热来诱导纳米复合聚合物的相变，结果只需要不到铁电相变通常需要的电场强度的10%。通常情况下，铁电材料中的这种应变和力是相互关联的，呈反比关系。现在研究人员可以把它们整合到一种材料中，利用焦耳加热来驱动它。由于驱动场要低得多，不到10%，这就是为什么这种新材料可以用于许多需要低驱动场才能有效的应用，如医疗设备、光学设备和软机器人。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1369773.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1369773.htm

新开发的分子可使聚合物更像金属 从而提高耐久性

新开发的分子可使聚合物更像金属从而提高耐久性由于成本低、密度小、具有良好的热绝缘性和电绝缘性以及较强的耐腐蚀性，日常生活中使用的几乎所有物品中都有聚合物的身影。然而，持续暴露在冷热环境中会导致包括聚合物在内的材料膨胀和收缩，最终导致老化。不同材料的膨胀和收缩率不同，例如金属和陶瓷的收缩率就比聚合物小。美国桑迪亚国家实验室的研究人员改造了一种分子，将其添加到聚合物中后，可以增加材料的耐久性，使其更像金属。领导研究小组的材料科学家埃里卡-雷德莱恩说："这是一种独特的分子，当你加热它时，它不但不会膨胀，反而会通过改变形状而收缩。当它被添加到聚合物中时，会使聚合物收缩较小，达到与金属相似的膨胀和收缩值。有一种分子的行为与金属相似，这是非常了不起的。"开发这种改变游戏规则的分子（研究人员尚未命名）的想法源于桑迪亚客户对智能手机易碎性的抱怨，智能手机由各种材料制成，它们对冷热的反应各不相同。"以手机为例，它有一个塑料外壳和一个玻璃屏幕，外壳内部是构成电路的金属和陶瓷，"Redline说。"这些材料都是用螺丝、胶水或某种方式粘合在一起的，它们会以不同的速度膨胀和收缩，相互之间产生应力，随着时间的推移会导致它们开裂或翘曲。"研究人员表示，这种分子可能会彻底改变聚合物的应用方式，包括电子产品、通信系统、太阳能电池板、汽车零部件、电路板、航空航天设计、国防系统和地板等。桑迪亚化学工程师杰森-杜格（JasonDugger）说："这种分子不仅解决了当前的问题，还为未来更多的创新开辟了设计空间。"他们说，这种分子的一个好处是，在3D打印过程中，可以按不同比例将其引入聚合物的不同部分。杜格说："我们可以在一个区域打印出具有特定热行为的结构，而在另一个区域打印出具有其他热行为的结构，以匹配物品不同部分的材料。此外，它还有助于通过消除重填料来减轻材料的重量。通常情况下，碳酸钙、硅石、粘土、高岭土和碳等矿物质会被添加为填料，使聚合物更容易成型，并确保稳定性。这将使我们能够做得更轻，以节省质量。例如，在发射卫星时，这一点尤为重要。我们能节省的每一克都是巨大的。"到目前为止，研究人员只制造出了少量的分子，但他们正在研究扩大生产规模的方法。目前，生产0.2至0.3盎司（7至10克）的产品需要大约10天的时间。负责创造这种分子的有机化学家查德-斯泰格（ChadStaiger）说："不幸的是，这种分子的合成过程很长。更多的步骤意味着更多的时间和金钱。在制药等价值较高的材料中，通常需要五到六个步骤的合成。在聚合物领域，越便宜越有利于大规模应用。"尽管如此，研究人员仍然对这种分子的潜在用途持乐观态度。研究小组成员埃里克-纳格尔（EricNagel）说："目前还没有类似的东西。我对这项技术的可能性以及与之相关的应用感到非常兴奋"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379399.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379399.htm

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性

科学家创造出的新材料兼具玻璃聚合物的硬度和凝胶的拉伸性研究人员创造了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料与玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原长度的五倍，而不会断裂。玻璃态凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比具有类似物理特性的普通塑料更能有效导电。资料来源：北卡罗来纳州立大学王美香科学家们发明了一种名为"玻璃凝胶"的新型材料，这种材料尽管含有50%以上的液体，但却非常坚硬且不易破裂。加上玻璃凝胶易于生产，这种材料有望应用于多种领域。凝胶体和玻璃态聚合物是历来被视为截然不同的两类材料。玻璃态聚合物质地坚硬，通常比较脆。它们用于制造水瓶或飞机窗户等物品。凝胶（如隐形眼镜）含有液体，柔软而有弹性。"我们创造了一类被称为玻璃凝胶的材料，这种材料和玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原来长度的五倍，而不会断裂，"这项研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程系卡米尔和亨利-德雷福斯教授迈克尔-迪基（MichaelDickey）说。"更重要的是，一旦材料被拉伸，你就可以通过加热使其恢复原状。此外，玻璃凝胶的表面具有很强的粘性，这在硬质材料中并不多见。"该论文的共同第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员王美香说："玻璃凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比物理特性相当的普通塑料更能高效导电。考虑到这些材料所具有的许多独特性质，我们对它们的用途感到乐观。"玻璃态凝胶，顾名思义，实际上是一种结合了玻璃态聚合物和凝胶最诱人特性的材料。为了制造玻璃态凝胶，研究人员首先将玻璃态聚合物的液态前体与离子液体混合。将这种混合液体倒入模具中，暴露在紫外线下，使材料"固化"。然后移除模具，留下玻璃状凝胶。"离子液体是一种溶剂，就像水一样，但完全由离子组成，"Dickey说。"通常在聚合物中添加溶剂时，溶剂会推开聚合物链，使聚合物变得柔软、可伸展。这就是为什么湿隐形眼镜柔软，而干隐形眼镜不柔软的原因。在玻璃态凝胶中，溶剂会将聚合物分子链推开，使其像凝胶一样具有拉伸性。然而，溶剂中的离子会强烈吸引聚合物，从而阻止聚合物链移动。链条无法移动就使其成为玻璃状。最终的结果是，由于吸引力的作用，材料变得坚硬，但由于额外的间距，材料仍然能够拉伸。"研究人员发现，玻璃凝胶可以用各种不同的聚合物和离子液体制成，但并非所有类别的聚合物都能用于制造玻璃凝胶。Dickey说："带电或极性的聚合物有望用于玻璃凝胶，因为它们会被离子液体吸引。也许玻璃凝胶最吸引人的特点就是它们的粘性，因为虽然我们知道是什么让它们变得坚硬和可拉伸，但我们只能猜测是什么让它们如此具有粘性。"在测试中，研究人员发现，玻璃状凝胶即使含有50-60%的液体，也不会蒸发或变干。他们还认为，玻璃凝胶易于制造，因此有望得到实际应用。Dickey说："制造玻璃态凝胶是一个简单的过程，可以通过在任何类型的模具中固化或3D打印来实现。大多数具有类似机械性能的塑料都要求制造商将聚合物作为原料进行生产，然后将聚合物运输到另一个工厂，在那里聚合物被熔化并形成最终产品。我们很高兴看到如何使用玻璃凝胶，并愿意与合作者一起确定这些材料的应用"。这篇题为"由溶剂增韧的玻璃凝胶"的论文于6月19日发表在《自然》杂志上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435551.htm