Grønt lys for en ny generation af dynamiske materialer

Udvikling af syntetiske materialer, der er lige så dynamiske som dem, der findes i naturen, med reversibelt skiftende egenskaber og som kunne bruges i fremstillingen, genbrug og andre applikationer, er et stærkt fokus for forskere.

I en verdensnyhed, forskere fra Queensland University of Technology (QUT), Ghent University (UGent) og Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har foregået en roman, dynamisk, omprogrammerbart materiale - ved at bruge grønt LED-lys og, bemærkelsesværdigt, mørke som skifter for at ændre materialets polymerstruktur, og bruger kun to billige kemiske forbindelser. En af disse forbindelser, naphthalen, er velkendt som ingrediens i mølafvisende midler.

Det nye dynamiske materiale kan potentielt bruges som 3-D-printblæk til at udskrive midlertidige, let at fjerne støttestilladser. Dette ville overvinde en af ​​de nuværende begrænsninger ved 3-D-processen til at printe frithængende strukturer.

Forskningen er en del af et igangværende internationalt samarbejde mellem QUT makromolekylær kemiker og Australian Research Council Laureate Fellow Professor Christopher Barner-Kowollik, Dr. Hannes Houck, der for nylig afsluttede sin ph.d. på tværs af QUT, UGent og KIT, UGent professor Filip Du Prez, og KIT's Dr. Eva Blasco.

Deres resultater er blevet offentliggjort i papiret 'Light-Stabilized Dynamic Materials' i Journal of the American Chemical Society (JACS).

Centrale punkter:

• Det nye materiale blev dannet med naphthalener og koblingsmolekylerne triazolinedioner (TAD'er)
• Så længe grønt LED-lys lyste på materialet forblev det stabilt og stærkt
• Når lyset var slukket, og materialet blev holdt i mørke, netværksstrukturens kemiske bindinger brød op, og materialet blev blødt og flydende
• Den hårde-til-bløde proces kunne gentages med et tryk på kontakten, og lyset kunne dæmpes for at modulere materialets mekaniske egenskaber
• Følg på forskning ser på andre kemiske kombinationer, der kan opnå samme resultat

Professor Barner-Kowollik, fra QUTs naturvidenskabelige og tekniske fakultet, sagde, hvad der gør opdagelsen unik, er at lys bruges som udløser til at stabilisere, frem for at ødelægge, kemiske bindinger - så forskerne har opfundet et nyt udtryk, lysstabiliserede dynamiske materialer (LSDM'er).

"Vi håber at introducere LSDM'er som en helt ny klasse af materialer, " sagde Dr. Houck. "Vi diskuterede, om vi skulle patentere det nye materiale, men besluttede ikke at vente og at offentliggøre resultaterne for at fremme viden og forståelse af de involverede processer."

Forskerne sagde, at det, de har opnået, er det modsatte af, hvad man normalt gør i kemi, og "mange mennesker troede ikke, det kunne lade sig gøre".

"Typisk, du bruger forskellige lysbølgelængder eller ekstra varme eller hårde kemikalier til at bryde de polymere molekylkæder, der danner en netværksstruktur, " de sagde.

"Imidlertid, I dette tilfælde, vi brugte grønt LED-lys til at stabilisere netværket. Udløseren til at bryde netværket op, få det til at kollapse og flyde væk er faktisk den mildeste af alle:mørke. Tænd lyset igen, og materialet hærder igen og bevarer sin styrke og stabilitet.

"Dette er, hvad du kalder et ude-af-ligevægt kemisk system. Den konstante energi af det grønne lys holder det kemiske system i denne bundne form, skubbe den ud af sin ligevægt. Fjern lyset, og systemet går tilbage til sit afslappede, laveste energitilstand."

Professor Barner-Kowollik sagde, at forskerne allerede var blevet kontaktet af 3D-trykningsteknologiselskaber, der er interesserede i at anvende forskningen.

3-D-print bruges i rumfarts- og bilindustrien til at lave indviklede dele og detaljerede prototyper.

Imidlertid, 3-D-print af komplekse designs med udhæng eller broer er vanskeligt eller uden grænser, fordi 3-D-processen involverer udskrivning lag på lag, og der er ingen direkte støtte til lag i skarpt vinklede strukturer.

"Det, du skal bruge for at 3D-printe noget som en bro, er et støttestillads, en anden blæk, der giver det stillads under udskrivning af designet, men som du senere kan fjerne, når det ikke længere er nødvendigt, " han sagde.

"Med et lysstabiliseret dynamisk blæk brugt som stillads kan du 3D-printe under lys, Sluk derefter lyset for at lade stilladsblækket flyde væk."

Professor Du Prez og professor Barner-Kowollik sagde, at en anden potentiel anvendelse for LSDM'er var som et cellebiologistudieværktøj, med biologer, der brugte det som en celleoverfladestøtte, kunne de ændre ved lysmodulation uden at beskadige cellerne.