"Мы знали, что можно печатать гидрогели в 3D-формате, которые сжимаются при нагревании", - говорит Джо Трейси, соавтор статьи об этой работе и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина. "И мы знали, что можно включить золотые наностержни в гидрогели, которые сделают их фоточувствительными, а это означает, что они будут обратимо сжиматься под воздействием света.

"Мы хотели найти способ включить золотые наностержни в гидрогели, которые позволили бы нам печатать фоточувствительные структуры в формате 3D".

Гидрогели - это полимерные сетки, содержащие воду. В качестве примеров можно привести все, что угодно, от контактных линз до абсорбирующего материала, используемого в подгузниках. И, технически, исследователи не печатали гидрогель на 3D-принтере. Вместо этого они напечатали раствор, содержащий золотые наностержни и все ингредиенты, необходимые для творить гидрогель.

"И когда этот печатный раствор подвергается воздействию света, полимеры в растворе образуют сшитую молекулярную структуру", - говорит Джулиан Тиле, соавтор статьи и заведующий кафедрой органической химии Университета Отто фон Герике в Магдебурге. - Это превращает раствор в гидрогель, а захваченные золотые наностержни распределяются по всему материалу".

Поскольку предварительно гидрогелевый раствор, выходящий из 3D-принтера, имеет очень низкую вязкость, вы не сможете напечатать его на обычной подложке - в противном случае у вас получится лужица вместо 3D-структуры.

Чтобы решить эту проблему, исследователи напечатали раствор в виде полупрозрачной взвеси микрочастиц желатина в воде. Сопло принтера способно проникать в желатиновую взвесь и придавать раствору желаемую форму. Поскольку желатин полупрозрачен, свет может проникать сквозь матрицу, превращая раствор в твердый гидрогель. После этого все это помещается в теплую воду, желатин расплавляется, и остается трехмерная гидрогелевая структура.

Когда эти гидрогелевые структуры подвергаются воздействию света, встроенные золотые наностержни преобразуют этот свет в тепло. Это приводит к тому, что полимеры в гидрогеле сжимаются, вытесняя воду из гидрогеля и уменьшая структуру. Однако, когда свет исчезает, полимеры остывают и снова начинают поглощать воду, что приводит к увеличению структуры гидрогеля до ее первоначальных размеров.

"Была проделана большая работа над гидрогелями, которые сжимаются под воздействием тепла", - говорит Мелани Гелардини, первый автор статьи и бывшая аспирантка университета Северной Каролины. "Теперь мы продемонстрировали, что вы можете делать то же самое, когда гидрогель подвергается воздействию света, и при этом у вас есть возможность 3D-печати этого материала. Это означает, что приложения, которые ранее требовали прямого воздействия тепла, теперь можно запускать удаленно с помощью подсветки".

"Вместо использования обычного литья по формам, 3D-печать гидрогелевых структур обеспечивает практически неограниченную свободу в дизайне", - говорит Тиле. "И это позволяет запрограммировать четкое движение при сжатии и расширении нашего светочувствительного материала".

Это исследование было проведено при поддержке Национального научного фонда в рамках гранта 1803785; Научно-исследовательских школ Немецкого исследовательского фонда (DFG) 1865: Микросистемы на основе гидрогеля и 2767 в рамках проекта № 451785257; Фонда Александра фон Гумбольдта; Дрезденского центра интеллектуальных материалов; и Европейского союза "Горизонт 2020". программа исследований и инноваций в рамках гранта 852065.