基于花粉的“纸”有望成为新一代天然成分

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发布时间: 20-04-0712:29

新加坡南洋理工大学(NTU新加坡)的科学家开发了一种类似纸的材料,这种材料是从花粉中提取的,这种花粉会随着环境湿度的变化而弯曲和卷曲。

由花粉制成的纸具有响应外部刺激而改变其机械特性的能力,可能使其在许多应用中有用,包括软机器人,传感器,人造肌肉和发电机。与数字打印结合,花粉纸有望制造出新一代的可编程自然执行器,即机器中负责移动和控制机械装置的组件。

这项发现发表在本周的《Proceedings of the National Academy of Sciences》上,显示了南大新加坡团队如何使用软化的花粉粒制成纸的。

他们通过将花粉纸折叠成能在水蒸气条件下“盛开”的花朵来展示其特性。他们还表明,花粉材料的物理特性可以通过基于花粉的纸进行调节。

本文的作者为化学与生物医学工程学院的Song Juha教授,南大材料科学与工程学院的Cho Nam-Joon教授和Subra Suresh教授。

NTU杰出大学教授Subra Suresh也是NTU主席,他说:“在开发基于工程合成材料的生物启发传感器和执行器方面已经取得了很大进展,但是这些材料具有局限性,例如环境可持续性问题和相对较高的成本。仍然迫切需要采用经济高效且环保的材料,就像松果根据空气中的水分含量打开和关闭它的鳞片一样,我们的NTU研究团队表明,由天然丰富的花粉制成的花粉纸能够作为环境湿度变化的执行器。”

NTU教授,新加坡材料研究学会材料科学与工程学系主席Cho Nam-Joon表示:“这些发现是建立在我们NTU团队最近工作的基础上的,在该工作中,我们展示了如何将硬花粉粒转化为软花粉粒。能够响应外部刺激而改变其特性的微凝胶颗粒。该过程还使花粉和我们从中产生的产品不会产生过敏。”

为了形成论文,NTU团队首先通过类似于常规肥皂制造的过程将向日葵中的超韧花粉粒转变为易弯曲的凝胶状材料。该过程包括在碱性条件下孵育花粉数小时之前,先去除覆盖表面的粘性油基花粉胶。然后将所得的凝胶状材料浇铸到模具中并使其干燥,从而形成纸状材料。使用扫描电子显微镜观察到,基于花粉的纸包括交替的花粉颗粒层,其顶层明显比底层更粗糙。花粉纸的顶面看上去像是磨砂的,用肉眼可看到它的凸起,上面残留着向日葵花粉粒明显的尖峰,从而增加了其粗糙度。底面呈镜面状,相对较光滑。

花粉颗粒层的这种结构差异意味着在存在水蒸气的情况下,纸张开始弯曲,在干燥条件下,纸张不弯曲。潮湿和干燥条件的反复循环会导致纸张随时间进行翻转运动。

南大助教Song Juha教授解释说:“在吸收水或水蒸气的过程中,纸中的花粉颗粒吸水并膨胀。由于花粉颗粒层的结构差异,纸在不同部位膨胀不同。纸张的厚度,迫使它弯曲。”

为了证明可以自定义花粉纸对水蒸气的响应能力,研究小组调整了工艺参数,主要是花粉粒的碱性培养时间。他们加入了两个花粉纸样品,每个样品在不同的孵育时间(3小时和12小时)下制备,形成了一条带可见边界的双材料花粉纸。当双花粉纸暴露于干湿循环时,两个花粉纸样品对湿度的不同反应导致纸像毛毛虫一样“行走”,该毛毛虫通过交替地膨胀和收缩其柔软的物体而运动。

科学家们还通过花粉纸制成的花朵展示了花粉纸作为自驱动软机器人的潜在应用,该花通过逐渐吸收水蒸气而“开花”。Suresh教授说:“我们开发的花粉纸随着湿度的变化显示出强大的机械驱动力。这种天然存在的材料显示出开发具有不同功能需求的定制性能的各种驱动系统的潜力。”

论文标题为《Actuation and locomotion driven by moisture in paper made with natural pollen》。

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