Nyt materiale med magnetisk formhukommelse

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI og ETH Zürich har udviklet et nyt materiale, der bevarer en given form, når det sættes i et magnetfelt. Det er et kompositmateriale, der består af to komponenter. I modsætning til tidligere formhukommelsesmaterialer, den består af en polymer og indlejrede dråber af en såkaldt magnetoreologisk væske. Anvendelsesområder for denne nye type kompositmateriale omfatter medicin, rumfart, elektronik og robotteknologi. Forskerne offentliggør nu deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Avancerede materialer .

Det ligner et magisk trick:En magnet bevæger sig væk fra en sort, snoet bånd og båndet slapper af uden yderligere effekt (se video). Hvad der ligner magi, kan forklares med magnetisme. Det sorte bånd består af en komposit af to komponenter:en silikonebaseret polymer og små dråber vand og glycerin, hvori små partikler af carbonyljern flyder. Sidstnævnte giver materialets magnetiske egenskaber og dets formhukommelse. Hvis kompositmaterialet tvinges til en bestemt form med en pincet og derefter udsættes for et magnetfelt, den bevarer sin form, selv når pincetten tages af. Først når magnetfeltet også fjernes, vender materialet tilbage til sin oprindelige form.

Indtil nu, sammenlignelige materialer har bestået af en polymer og indlejrede metalpartikler. I stedet, forskere ved PSI og ETH Zürich brugte dråber af vand og glycerin til at indsætte de magnetiske partikler i polymeren. På denne måde de producerede en dispersion svarende til den, der findes i mælk. i mælk, små fedtdråber er fint fordelt i en vandig opløsning. Disse er hovedsageligt ansvarlige for den hvide farve.

Tilsvarende dråberne af den magnetoreologiske væske er fint fordelt i det nye materiale. "Da den magnetisk følsomme fase dispergeret i polymeren er en væske, de kræfter, der genereres, når et magnetfelt påføres, er meget større end tidligere rapporteret, " forklarer Laura Heyderman, leder af Mesoscopic Systems Group ved PSI og professor ved ETH Zürich. Hvis et magnetfelt virker på kompositmaterialet, det stivner. "Dette nye materialekoncept kunne kun opstå gennem teamwork mellem grupper med ekspertise fra to helt forskellige områder - magnetiske og bløde materialer, " siger Heyderman.

Form hukommelse gennem justering med magnetfeltet

Forskerne studerede det nye materiale ved hjælp af Swiss Light Source SLS ved PSI, blandt andet. Med røntgen tomografiske billeder produceret med denne lyskilde, de fandt ud af, at længden af ​​dråberne i polymeren stiger under påvirkning af et magnetfelt, og at carbonyljernpartiklerne i væsken flugter i det mindste delvist langs magnetfeltlinjerne. Disse to faktorer øger stivheden af ​​det testede materiale med op til 30 gange.

Det faktum, at formhukommelsen af ​​det nye materiale aktiveres af magnetiske felter, giver yderligere fordele ud over større kraft. De fleste formhukommelsesmaterialer reagerer på temperaturændringer. I medicinske applikationer, to problemer opstår som følge heraf. Først, overdreven varme skader kroppens egne celler. Sekund, det er ikke altid muligt at garantere ensartet opvarmning af et objekt, der husker dets form. Begge ulemper kan undgås ved at tænde for formhukommelsen med et magnetfelt.

Mekanisk aktive materialer til medicin og robotteknologi

"Med vores nye kompositmateriale, vi har taget endnu et vigtigt skridt i retning af at forenkle komponenter i en lang række applikationer såsom medicin og robotteknologi, " siger ETH Zürich og PSI materialeforsker Paolo Testa, første forfatter til undersøgelsen. "Vores arbejde fungerer derfor som udgangspunkt for en ny klasse af mekanisk aktive materialer."

Talrige anvendelser inden for medicin, rumfart, elektronik, og robotteknologi kan tænkes til materialer med formhukommelse. For eksempel, katetre, der ændrer stivhed, når de skubbes gennem blodkar til operationsstedet under minimalt invasive operationer. I rumforskning, formhukommelsesmaterialer er efterspurgte til roverbildæk, der pumpes op eller foldes sammen igen af ​​sig selv. Inden for elektronik, bløde funktionelle materialer kan anvendes i fleksible strøm- eller datakabler i bærbare og i robotter, der kan udføre mekaniske bevægelser uden motor.