Pollenbaseret papir lover en ny generation af naturlige komponenter

Forskere ved Singapores Nanyang Technological University (NTU Singapore) har skabt et papirlignende materiale afledt af pollen, der bøjer og krøller som reaktion på skiftende niveauer af miljøfugtighed.

Evnen af ​​dette papir lavet af pollen til at ændre dets mekaniske egenskaber som reaktion på ydre stimuli kan gøre det nyttigt i en bred vifte af applikationer, herunder bløde robotter, sensorer, kunstige muskler, og elektriske generatorer.

Kombineret med digitaltryk, pollenpapir kan give et løfte om fremstillingen af ​​en ny generation af programmerbare naturlige aktuatorer - komponenter i en maskine, der er ansvarlige for at flytte og styre en mekanisme.

Fundene, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences denne uge, vise, hvordan NTU Singapore-teamet formulerede papiret ved hjælp af blødgjorte pollenkorn.

De demonstrerede det pollenbaserede papirs egenskaber ved at folde det til en blomst, der 'blomstrer' i nærvær af vanddamp. De viste også, at pollenmaterialets fysiske egenskaber kan justeres, med en strimmel pollenbaseret papir, der er i stand til at 'gå'.

De tilsvarende forfattere af denne artikel er adjunkt Song Juha fra School of Chemical and Biomedical Engineering, og professor Cho Nam-Joon og professor Subra Suresh fra School of Materials Science and Engineering på NTU.

NTU Distinguished University Professor Subra Suresh, som også er NTU-præsident, sagde:"Der er gjort mange fremskridt med at udvikle bioinspirerede sensorer og aktuatorer baseret på konstruerede syntetiske materialer, men disse materialer har begrænsninger såsom problemer med miljømæssig bæredygtighed og relativt høje omkostninger. Der er fortsat et kritisk behov for at inkorporere omkostningseffektive og miljøvenlige materialer. Ligesom fyrrekogler åbner og lukker deres skæl afhængigt af mængden af ​​fugt i luften, vores NTU forskerhold har vist, at pollenpapir, der er lavet af naturligt rigelige pollenkorn, reagerer som en aktuator på ændringer i miljøets fugtighed."

NTU professor Cho Nam-Joon, som besidder Materials Research Society of Singapore-stolen i Materials Science and Engineering, sagde:"Disse resultater bygger på det seneste arbejde fra vores NTU-team, hvor vi viste, hvordan hårde pollenkorn kan omdannes til bløde mikrogelpartikler, der ændrer deres egenskaber som reaktion på ydre stimuli. Denne proces gør også pollen og de produkter, vi skaber ud fra det, ikke-allergifremkaldende."

Pollenpapir, der bøjer, vender og bevæger sig

For at danne papiret, NTU-teamet forvandlede først de ultrahårde pollenkorn fra solsikker til en bøjelig, gel-lignende materiale gennem en proces svarende til konventionel sæbefremstilling. Denne proces omfatter fjernelse af den klæbrige oliebaserede pollencement, der dækker kornets overflade, før pollen inkuberes under alkaliske forhold i timer.

Det resulterende gel-lignende materiale støbes derefter i en form og lader tørre, danner et papirlignende materiale. Ved hjælp af scanningselektronmikroskopi, forskerne observerede, at det pollenbaserede papir består af skiftende lag af pollenpartikler, med det øverste lag væsentligt mere ru end det nederste lag.

Den øverste overflade af pollenpapiret, som virker frostet med det blotte øje, viste rester af solsikkepollenkornenes tydelige pigge, bidrager til dens ruhed. Den nederste overflade, som får en spejllignende overfladefinish, var relativt jævnere.

Denne strukturelle forskel i pollenpartikellag betyder, at papiret i nærvær af vanddamp begynder at bøje, og under tørre forhold, den løsner sig. Gentagne cyklusser med fugtige og tørre forhold får papiret til at udføre en vendebevægelse over tid.

NTU adjunkt Song Juha forklarede:"Under vand- eller vanddampabsorption, pollenpartiklerne i papiret svulmer og udvider sig. På grund af den strukturelle forskel i pollenpartikellagene, papiret svulmer forskelligt på forskellige steder. Dette inducerer indre spændinger gennem papirets tykkelse, hvilket tvinger den til at bøje."

For at vise, at det er muligt at tilpasse pollenpapirets vanddampfølsomhed, holdet justerede behandlingsparametre, primært den alkaliske inkubationstid for pollenkornene. De sluttede sig til to pollenpapirprøver, hver fremstillet under forskellige inkubationstider (3 timer og 12 timer), at danne en strimmel af bi-materiale pollenpapir med en synlig grænse.

Når det bi-materiale pollenpapir blev udsat for en fugtig-tør-cyklus, de to pollenpapirprøvers forskellige reaktioner på fugt fik papiret til at 'gå' som en larve, der bevæger sig ved skiftevis at udvide og trække sig sammen med sin bløde krop.

Forskerne demonstrerede også den potentielle anvendelse af pollenpapir som en selvaktiverende blød robot gennem en blomst lavet af pollenpapir, der 'blomstrer' gennem gradvis absorption af vanddamp.

Prof Suresh sagde:"Pollenpapiret, vi har udviklet, viser stærk mekanisk aktivering, efterhånden som fugtigheden ændres. Dette naturligt forekommende materiale viser spotential til udvikling af et bredt spektrum af aktiveringssystemer med tilpassede egenskaber til forskellige funktionelle behov."