以石墨烯为基础的海草凝胶脊柱使工业应用成为可能

几千年来，海藻一直是人类有用物质的丰富来源。可以说，它是最早的化学工业的基础，在史前产生用于医疗用途的碘;它在农业中作为肥料的使用，常常支撑着可耕地稀少的岛国的经济;当然，许多物种本身是可食用的。近年来，工业化学家对海藻和其他海洋植物作为石油和其他材料的来源进行了研究。海藻酸盐是一种天然水凝胶，已经在医疗领域得到了应用，但由于它们在某些溶液中往往是机械脆弱和不稳定的，因此它们的用途在一定程度上受到限制。

罗德岛布朗大学的工程师们已经开发出一种通过将原子厚度的层状材料氧化石墨烯加入藻酸盐的结构中来增强藻酸盐的方法。这就产生了一种可以3D打印成结构的材料，这种材料比单独的海藻酸盐更坚硬，更耐断裂。此外，化学环境的变化可以使复合材料变得更硬或更软，从而使结构能够实时响应周围的环境。尽管这种行为发生了变化，但复合材料保留了海藻酸盐的一些有用特性。

研究负责人托马斯·瓦伦丁和他的同事描述了他们的工作在杂志上碳。这些结构是用立体光刻技术形成的，在这种技术中，计算机辅助设计系统跟踪紫外线激光穿过光活性聚合物溶液的表面。在这种情况下，溶液是由海藻酸钠盐和氧化石墨烯混合制成的。这利用了海藻酸盐聚合物的特性之一:单个链通过静电离子键连接在一起，对外部刺激作出反应。

研究小组认为，用石墨烯增强藻酸盐可以增强材料，因为它改变了裂缝在其结构中传播的方式。该论文的资深作者Ian Wong说:“我们认为，抗断裂性是由于裂缝不得不绕过分散的石墨烯片，而不是能够直接穿过均匀的海藻酸盐。”

在之前的研究中，布朗大学的工程师们已经证明，离子交联可以用来制造海藻酸盐材料，当与可以从其内部结构中去除离子的物质处理时，这种材料会溶解。在这种情况下，离子去除物质并没有溶解凝胶，而是使其膨胀并变得更软;更换离子恢复了材料的硬度，通过改变离子环境，硬度可以调整到原来的500倍。瓦伦丁认为，这可能在医学研究中很有用。他说:“你可以想象这样一个场景，你可以在一个僵硬的环境中拍摄活细胞的图像，然后立即切换到一个更柔软的环境，看看同样的细胞会如何反应。”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。

打印出来的材料足够坚硬，研究人员可以制造出带有悬垂部分的结构，而单独使用海藻酸盐是不可能做到的。在测试中，他们发现这种材料保留了海藻酸盐的驱油能力，这有助于赋予海藻独特的质地，并使其能够从海水中吸收营养。这开启了使用复合材料作为海洋结构防污涂层的可能性。Wong说:“这些复合材料可以用作海洋中的传感器，可以在漏油时继续读取数据，或者用作防污涂层，帮助保持船体清洁。”石墨烯提供的额外硬度将使这种材料或涂层比单独的海藻酸盐耐用得多。

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