Mægtige morphing materialer tager komplekse former

Rice University-forskere har skabt en gummiagtig, formskiftende materiale, der skifter fra en sofistikeret form til en anden efter behov.

Formerne, der er programmeret til en polymer af materialeforsker Rafael Verduzco og kandidatstuderende Morgan Barnes, vises under omgivende forhold og smelter væk, når der påføres varme. Processen fungerer også omvendt.

Den glatte operation modsiger en kamp på nanoskalaen, hvor flydende krystaller og elastomeren, som de er indlejret i, kæmper om kontrol. Når det er afkølet, formen programmeret i de flydende krystaller dominerer, men når det opvarmes, krystallerne slapper af inden i den gummibåndlignende elastomer, som is, der smelter til vand.

I de fleste prøver, som Barnes har lavet indtil videre - inklusive et ansigt, et Rice logo, en legoklods og en rose - materialet antager sin komplekse form ved stuetemperatur, men når den opvarmes til en overgangstemperatur på omkring 80 grader Celsius (176 grader Fahrenheit), det falder sammen til et fladt ark. Når varmen er fjernet, figurerne dukker op igen inden for et par minutter.

Så fantasifuldt som dette ser ud, materialet viser lovende for bløde robotter, der efterligner organismer, og i biomedicinske applikationer, der kræver materialer, der tager forudprogrammerede former ved kropstemperatur.

Forskningen er beskrevet i tidsskriftet Royal Society of Chemistry Blødt stof .

"Disse er lavet med to-trins kemi, som har været gjort i lang tid, " sagde Verduzco, en professor i kemisk og biomolekylær teknik og i materialevidenskab og nanoteknik. "Folk har fokuseret på at mønstre flydende krystaller, men de havde ikke tænkt over, hvordan disse to netværk interagerer med hinanden.

"Vi troede, at hvis vi kunne optimere balancen mellem netværkene – gøre dem ikke for stive og ikke for bløde – kunne vi få disse sofistikerede formændringer."

Den flydende krystaltilstand er nemmest at programmere, han sagde. Når først materialet er givet form i en form, fem minutters hærdning under ultraviolet lys sætter den krystallinske orden. Barnes lavede også prøver, der skifter mellem to former.

"I stedet for simple enaksede formændringer, hvor du har noget, der forlænger og trækker sig sammen, vi er i stand til at have noget, der går fra en 2-D-form til en 3-D-form, eller fra en 3-D-form til en anden 3-D-form, " hun sagde.

Laboratoriets næste mål er at sænke overgangstemperaturen. "Aktivering ved kropstemperatur åbner os for mange flere anvendelser, " sagde Barnes. Hun sagde, at taktile smartphoneknapper, der vises ved berøring, eller reaktiv brailletekst for synshandicappede er inden for rækkevidde.

Hun vil også gerne udvikle en variant, der reagerer på lys frem for varme. "Vi ønsker at gøre det fotoresponsivt, " sagde Barnes. "I stedet for at opvarme hele prøven, du kan kun aktivere den del af den flydende krystal elastomer, du vil kontrollere. Det ville være en meget nemmere måde at styre en blød robot på."