Published January 30, 2020 | Version v1
Publication Open

Spontaneous Alignment of Graphene Oxide in Hydrogel during 3D Printing for Multistimuli‐Responsive Actuation

  • 1. Tsinghua University
  • 2. Beijing National Laboratory for Molecular Sciences
  • 3. Peking University

Description

Abstract Natural materials are often compositionally and structurally heterogeneous for realizing particular functions. Inspired by nature, researchers have designed hybrid materials that possess properties beyond each of the components. Particularly, it remains a great challenge to realize site‐specific anisotropy, which widely exists in natural materials and is responsible for unique mechanical properties as well as physiological behaviors. Herein, the spontaneous formation of aligned graphene oxide (GO) flakes in sodium alginate (SA) matrix with locally controlled orientation via a direct‐ink‐writing printing process is reported. The GO flakes are spontaneously aligned in the SA matrix by shear force when being extruded and then arranged horizontally after drying on the substrate, forming a brick‐and‐mortar structure that could anisotropically contract or expand upon activation by heat, light, or water. By designing the printing pathways directed by finite element analysis, the orientation of GO flakes in the composite is locally controlled, which could further guide the composite to transform into versatile architectures. Particularly, the transformation is reversible when water vapor is applied as one of the stimuli. As a proof of concept, complex morphing architectures are experimentally demonstrated, which are in good consistency with the simulation results.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة غالبًا ما تكون المواد الطبيعية غير متجانسة من الناحية التركيبية والهيكلية لتحقيق وظائف معينة. مستوحاة من الطبيعة، صمم الباحثون مواد هجينة تمتلك خصائص تتجاوز كل مكون من المكونات. على وجه الخصوص، لا يزال من الصعب تحقيق تباين الخواص الخاص بالموقع، والذي يوجد على نطاق واسع في المواد الطبيعية وهو مسؤول عن الخصائص الميكانيكية الفريدة وكذلك السلوكيات الفسيولوجية. هنا، يتم الإبلاغ عن التكوين التلقائي لقشور أكسيد الجرافين المحاذاة (GO) في مصفوفة ألجينات الصوديوم (SA) مع التوجيه المتحكم فيه محليًا عبر عملية الطباعة بالحبر المباشر. تتم محاذاة رقائق GO تلقائيًا في مصفوفة SA بواسطة قوة القص عند بثقها ثم ترتيبها أفقيًا بعد التجفيف على الركيزة، مما يشكل بنية من الطوب والملاط يمكن أن تنقبض أو تتوسع بشكل متباين الخواص عند التنشيط بالحرارة أو الضوء أو الماء. من خلال تصميم مسارات الطباعة التي يوجهها تحليل العناصر المحدودة، يتم التحكم محليًا في اتجاه رقائق GO في المركب، والتي يمكن أن توجه المركب بشكل أكبر للتحول إلى بنيات متعددة الاستخدامات. على وجه الخصوص، يكون التحول قابلاً للعكس عندما يتم تطبيق بخار الماء كواحد من المحفزات. كدليل على المفهوم، يتم عرض البنى التحويلية المعقدة تجريبيًا، والتي تتوافق بشكل جيد مع نتائج المحاكاة.

Translated Description (French)

Résumé Les matériaux naturels sont souvent hétérogènes sur le plan de la composition et de la structure pour la réalisation de fonctions particulières. Inspirés par la nature, les chercheurs ont conçu des matériaux hybrides qui possèdent des propriétés au-delà de chacun des composants. En particulier, il reste un grand défi de réaliser une anisotropie spécifique au site, qui existe largement dans les matériaux naturels et est responsable de propriétés mécaniques uniques ainsi que de comportements physiologiques. Ici, la formation spontanée de flocons d'oxyde de graphène (GO) alignés dans la matrice d'alginate de sodium (SA) avec une orientation contrôlée localement via un processus d'impression àécriture directe à l'encre est rapportée. Les paillettes GO sont spontanément alignées dans la matrice SA par force de cisaillement lorsqu'elles sont extrudées, puis disposées horizontalement après séchage sur le substrat, formant une structure de brique et de mortier qui pourrait se contracter ou se dilater de manière anisotrope lors de l'activation par la chaleur, la lumière ou l'eau. En concevant les voies d'impression dirigées par l'analyse par éléments finis, l'orientation des paillettes GO dans le composite est contrôlée localement, ce qui pourrait guider davantage le composite à se transformer en architectures polyvalentes. En particulier, la transformation est réversible lorsque de la vapeur d'eau est appliquée comme l'un des stimuli. Comme preuve de concept, des architectures de morphing complexes sont démontrées expérimentalement, qui sont en bonne cohérence avec les résultats de simulation.

Translated Description (Spanish)

Resumen Los materiales naturales a menudo son composicional y estructuralmente heterogéneos para realizar funciones particulares. Inspirados en la naturaleza, los investigadores han diseñado materiales híbridos que poseen propiedades más allá de cada uno de los componentes. Particularmente, sigue siendo un gran desafío realizar la anisotropía específica del sitio, que existe ampliamente en materiales naturales y es responsable de propiedades mecánicas únicas, así como de comportamientos fisiológicos. En la presente, se informa la formación espontánea de escamas de óxido de grafeno (GO) alineadas en la matriz de alginato de sodio (SA) con orientación controlada localmente a través de un proceso de impresión de escritura directa con tinta. Los copos de GO se alinean espontáneamente en la matriz SA por la fuerza de cizallamiento cuando se extruyen y luego se disponen horizontalmente después de secarse sobre el sustrato, formando una estructura de ladrillo y mortero que podría contraerse o expandirse anisotrópicamente al activarse por calor, luz o agua. Al diseñar las vías de impresión dirigidas por el análisis de elementos finitos, la orientación de las escamas de GO en el compuesto se controla localmente, lo que podría guiar aún más al compuesto para transformarse en arquitecturas versátiles. Particularmente, la transformación es reversible cuando se aplica vapor de agua como uno de los estímulos. Como prueba de concepto, se demuestran experimentalmente arquitecturas de morphing complejas, que están en buena consistencia con los resultados de la simulación.

Files

advs.201903048.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:2f48937701b66c80a92fbc422c268873
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
المحاذاة التلقائية لأكسيد الجرافين في الهيدروجيل أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد للتشغيل متعدد المحفزات
Translated title (French)
Alignement spontané de l'oxyde de graphène dans l'hydrogel pendant l'impression 3D pour un actionnement multistimulaire
Translated title (Spanish)
Alineación espontánea de óxido de grafeno en hidrogel durante la impresión 3D para una actuación sensible a múltiples estímulos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3004211778
DOI
10.1002/advs.201903048

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1675132674
  • https://openalex.org/W1965460216
  • https://openalex.org/W1995571108
  • https://openalex.org/W2003162839
  • https://openalex.org/W2012241126
  • https://openalex.org/W2030677057
  • https://openalex.org/W2090923286
  • https://openalex.org/W2099045194
  • https://openalex.org/W2123817752
  • https://openalex.org/W2144081123
  • https://openalex.org/W2147123976
  • https://openalex.org/W2183743152
  • https://openalex.org/W2191750422
  • https://openalex.org/W2266720690
  • https://openalex.org/W2320128000
  • https://openalex.org/W2342835507
  • https://openalex.org/W2399549734
  • https://openalex.org/W2516293401
  • https://openalex.org/W2523532614
  • https://openalex.org/W2565884797
  • https://openalex.org/W2571023008
  • https://openalex.org/W2587041470
  • https://openalex.org/W2588901432
  • https://openalex.org/W2609713456
  • https://openalex.org/W2746358053
  • https://openalex.org/W2766980008
  • https://openalex.org/W2767592109
  • https://openalex.org/W2772417212
  • https://openalex.org/W2774040640
  • https://openalex.org/W2782009972
  • https://openalex.org/W2782134160
  • https://openalex.org/W2784033758
  • https://openalex.org/W2790615739
  • https://openalex.org/W2793383496
  • https://openalex.org/W2805926569
  • https://openalex.org/W2810053677
  • https://openalex.org/W2877920091
  • https://openalex.org/W2883681670
  • https://openalex.org/W2888050400
  • https://openalex.org/W2891455232
  • https://openalex.org/W2901012508
  • https://openalex.org/W2913525932
  • https://openalex.org/W2915021272
  • https://openalex.org/W2922022989
  • https://openalex.org/W2930027284
  • https://openalex.org/W2968702285
  • https://openalex.org/W3004211778