Nye materialer gennemgår fast-flydende faseovergange ved stuetemperatur

Forskere har udviklet de første materialer, der permanent kan ændre sig fra fast til flydende, eller omvendt, når de udsættes for lys ved stuetemperatur, og forbliver i den nye fase, selv efter at lyset er fjernet. Forskerne viste også, at lyset kan bruges til at tegne flydende designs i et fast materiale eller solide designs i et flydende materiale, skabe stabile materialer, der dels er faste og dels flydende. De nye materialer har potentielle anvendelser til 3-D-print, støbning, og on-demand genbrug, blandt andre anvendelser.

Forskerne, ledet af Brady Worrell, Christopher Bowman, og medforfattere ved University of Colorado, Kampesten, har udgivet et papir om materialerne med fotoskiftbare faser i et nyligt nummer af Naturkommunikation .

Som vi ser i hverdagen, konventionelle materialer skifter faser på grund af ændringer i temperatur eller tryk. For eksempel, fast is kan omdannes til flydende vand ved opvarmning eller - mindre almindeligt - ved at øge trykket (et højere tryk sænker smeltepunktet, hvilket får isen til at smelte ved koldere temperaturer end normalt).

Visse polymerer, imidlertid, er permanent solide – selv når de udsættes for ekstreme ændringer i temperatur eller tryk, de bliver aldrig flydende. Disse materialer, som kaldes kovalent tværbundne polymerer, kan modificeres, så en ekstern stimulus som lys eller varme får dem til at skifte fra fast til flydende. Imidlertid, dette er kun en midlertidig ændring, hvor polymeren vender tilbage til sin faste form, så snart stimulus er fjernet.

I den nye undersøgelse, forskerne præsenterede to nye polymerer, en, der starter som et fast stof og kan omdannes til væske, og den anden, der starter som en væske og kan omdannes til et fast stof. Polymererne er de første materialer af enhver art, der kan gennemgå en permanent faseændring som reaktion på en anden stimulus end temperatur eller tryk (i dette tilfælde, lys).

De faste og flydende polymerer skifter begge fase, når de bestråles med UV-lys med en bølgelængde på 365 nm i omkring fem minutter. Imidlertid, lyset påvirker de to materialer forskelligt. Den flydende polymer indeholder til at begynde med en base, der fremmer en stressafslappende thiol-thioester-udvekslingsreaktion, som får polymeren til at virke som en væske, men det faste stof indeholder i begyndelsen ikke denne base. Når den faste polymer udsættes for lys, lyset frigiver en katalysator, der frigiver basen, fremme den stressafslappende reaktion og omdanne det faste stof til en væske. På den anden side, når den flydende polymer udsættes for lys, lyset frigiver en anden katalysator, der frigiver syre, neutralisering af basen og standsning af den stressafslappende reaktion, som omdanner den flydende polymer til et fast stof.

Brug af lys i stedet for temperatur eller tryk til at kontrollere faseændringerne gør det muligt at udøve udsøgt rumlig kontrol over disse faseændringer, giver forskerne mulighed for at definere separate faste og flydende områder i et enkelt materiale. At demonstrere, forskerne brugte nanoimprint litografi til at designe en fotomaske i form af en bøffel (University of Colorado Boulder maskot). Ved at bruge de to forskellige bølgelængder af lys, de kunne lave enten en flydende bøffel på en fast baggrund eller en fast bøffel på en flydende baggrund. På trods af at den består af både flydende og fast stof, materialet er stabilt, og de flydende og faste dele forbliver permanent adskilt.

Forskerne forventer, at i fremtiden, disse evner vil åbne dørene til en række nye applikationer, hvor der anvendes polymerer.

"I en bred sammenhæng, thiol-thioester-udvekslingen i netværkspolymerer giver mulighed for bred anvendelse inden for en række forskellige områder, " fortalte Worrell Phys.org . "Dette materiale bygger effektivt bro mellem termoplast og hærdeplast ved meget lave driftstemperaturer, giver mulighed for genbrug, genanvendelse eller omstøbning (termoplastisk adfærd) og on-demand påføring på et substrat (termoplastisk adfærd). Dette materiale vil derfor sandsynligvis have appel i smarte belægninger påført on-demand, hvor miljøbelastninger begrænser effektiviteten."

© 2018 Phys.org