Et hybridmateriale, der skifter reversibelt mellem to stabile faste tilstande

Fast stof indeholder typisk en enkelt, stabil fast tilstand til et specifikt sæt betingelser. Materialeforskere forestiller sig, at nye materialer med udskiftelige faststoffer vil være fordelagtige til forskellige tekniske applikationer. I en ny rapport nu offentliggjort den Naturmaterialer , Fut (Kuo) Yang og kolleger i de tværfaglige afdelinger for kemiteknik, Bioingeniør og bioteknologi i Canada og Kina beskrev udviklingen af ​​et to-i-et hybridmateriale.

De sammensatte materialet med en polymer imprægneret med en afkølet saltopløsning kendt som "sal-gel". Materialet antog to forskellige, men stabile og reversible faststoffer under varierende temperaturer (-90 grader C til 58 grader C) og tryk. Da forskerne stimulerede kimdannelse, materialet skiftede fra en klar, blødt fast stof til en hvid hård tilstand, der var 10 ⁴ gange stivere end originalen (15 kPa vs. 385 MPa). De vendte den hårde faste ryg tilbage til blød konsistens via forbigående opvarmning for at demonstrere overgangens reversibilitet. Undersøgelsen undersøgte begrebet robust fysisk metastabilitet af en flydende tilstand og Yang et al. udvidede arbejdet til sukkeralkoholer til dannelse af stimuli-responsive og ikke-fordampende "sug-gel". Sådanne to-i-et hybridmaterialer vil være nyttige i bløde robotteknikker og klæbende applikationer.

Stivhedsskiftende materialer tilbyder en løsning til at konstruere paradoksal formtilpasningsevne og bærende egenskaber, der er vigtige for en række forskellige tekniske områder, herunder blød robotik, vedhæftning/klæbemidler og luftfart. At opretholde den mekaniske reaktion af sådanne smarte materialer er, imidlertid, begrænset af kravet om en ekstern stimulus. En løsning til at skabe to-i-et-faste stoffer er at undersøge den mekaniske eller strukturelle metastabilitet af sådanne materialer. Dette observeres med origami- eller kirigami-inspirerede metamaterialer, der kan transformere deres stivhed via ændringer i topologiske tilstande.

For at opnå dobbelt stabile tilstande, den underliggende mekanisme skal danne en energibarriere mellem de to, hvor hver stat hvilede på et energisk minimum. For eksempel, flydende krystallisation kan opfylde dette krav, hvor væsken oprindeligt krævede dannelse af en tilstrækkelig stor klynge af krystallinske atomer eller molekyler. Den frie energitilvækst ved at transformere den krystallinske fase skal derefter overvinde de frie energiomkostninger ved at skabe en grænseflade mellem væsken og krystallen. Forskere kunne overvinde energibarrieren mellem grænsefladerne ved at fremkalde selvsamling via sekundær nukleation (dannelse af nye krystaller fra eksisterende krystaller) til væske-til-krystallinske transformationer og med varme til krystallinsk-til-væske-transformation. Processen er forholdsvis vanskeligere ved fasetransformationer med rene faste stoffer, hvis krystallinske og ikke-krystallinske faser begge er faste stoffer.

Som et eksempelmateriale, natriumacetattrihydrat er et faseskiftende materiale (PCM), der almindeligvis kaldes 'varm is, "da det frigiver varme under frysning med velkendt kapacitet til superkøling. Selvom det faste stof har et smeltepunkt på 58 grader C, det kan forblive stabilt som en afkølet væske ved stuetemperatur i årevis, med anvendelse i sæsonbetonet energilagring. Yang et al. tilvejebragte det faste natriumacetattrihydrat en yderligere fast form ved anvendelse af et kompatibelt polymernetværk til fremstilling af et trykbart og let hybridmateriale kendt som sal-gel. Materialet kan udskifteligt ændre sin effektive stivhed uden ekstern stimulering, giver forskerne mulighed for fuldt ud at udnytte saltets faseovergang og metastabilitet.

Hybridmaterialet omdannes til en gummilignende form ved smeltning til formfastgørelse efter behov med en ændring i stivhed større end 10 ⁴ gange. Funktionen er meget ønskelig for "to-i-en" faste stoffer sammenlignet med tidligere udviklede stivhedsskiftende materialer. Det nye materiale er relevant for den stadigt voksende ydeevne for at miniaturisere og øge ydelsestætheden af ​​multifunktionelle materialer.

Forskerne fremstillede sal-gel ved at blande smeltet natriumacetattrihydrat med polymerformarkører af poly (acrylsyre) og en flydende blanding af eddikesyre med vand. Den resulterende gelblanding forblev gennemsigtig, tyder på, at bestanddelene er blandbare med hinanden. Den resulterende gel havde to faste tilstande; en gennemsigtig blød tilstand og en uigennemsigtig stiv tilstand, der modstod deformation. Forskerne omdannede sal-gelen fra dens bløde tilstand til den stive tilstand via sekundær nukleation ved berøring af natriumacetattrihydratfrøkrystaller. Ved kontakt med en frøkrystal, nukleation fandt sted med det samme for krystallisation at forløbe fra kontaktpunktet på tværs af hele materialet.

For at gennemføre indledningen eksperimentelt, Yang et al. brugte en træpind med en lille mængde fint krystalstøv i spidsen. Da fænomenet stammer fra prøveoverfladen, de antog en todelt årsag; hvor i starten, de gratis energiomkostninger til nukleation sænkes kraftigt ved gelens overflade på grund af reduceret overfladeareal. Derefter, ved kontakt, overfladen oplevede en enorm mængde kinetisk energi. Så længe gelen forblev smurt, forskerne kunne forhindre uønsket krystallisering. Yang et al. vendte sal-gelen til sin bløde tilstand ved at opvarme den over smeltepunktet og brugte disse egenskaber til at fastsætte gelens form efter behov. De afstemte de fysiske egenskaber ved den frosne tilstand ved at manipulere gelens polymerindhold for at modstå deformation og vende tilbage til dens faste form ved spændingsfrigivelse.

Forskergruppen testede den mekaniske adfærd for de to tilstande i sal-gel-systemet under lignende miljøer ved hjælp af indrykning. De sammenlignede den smeltede og frosne sal-gel, hvor der dannes en synlig plastisk deformation på den frosne tilstand, som forsvandt efter smeltning. Ved hjælp af målinger Yang et al. viste en betydelig ændring i stivhed mellem de to stater. Selvom den frosne sal-gel var stiv, det var mindre sprødt ved indrykning uden revner sammenlignet med en polymerfri kontrol med frosset salt.

Efter yderligere karakterisering af hybridmaterialet, forskerne viste, at når der var mere eddikesyrevæske i blandingen, sal-gelen blev blødere og mindre elastisk. Når de gentagne gange frøs og optøede gelen, de observerede ikke varig skade i polymernetværket, selvom materialet blev stivere med gentagne fryse-tø-cykler.

Forskerne undersøgte derefter sal-gelens krystallisationsadfærd og observerede de voksende krystaller for at skubbe polymernetværket til side uden at ødelægge eller beskadige netværket. Salthydratet viste termisk adfærd, der ligner vandfrysning i hydrogeler, hvor tilsætning af mere polymer og fortyndingsmiddel førte til mindre krystallisation. Den termiske adfærd indikerede en stærk stabilitet af sal-gel med overkøling større end 150 grader C.

Sal-gelen viste blød-til-hård overgangskontakt, øjeblikkelig og robust selvklæbning, mekanisk energilagring sammen med kapaciteten til at danne smarte konstruktioner. En stor fordel ved hybridmaterialet var dets selvstændige natur, hvilket let tillod additiv fremstilling. Som et princip-bevis, Yang et al. fremstillede en syntetisk havagurk ved hjælp af tredimensionel doodling ved at levere ikke-tværbundet sal-gelopløsning ved hjælp af en sprøjte til at tværbinde opløsningen i laboratoriet ved hjælp af en ultraviolet lyskilde derefter. Det resulterende tryk lignede meget en levende havagurk i udseende og mekanik, hvor dermis skiftede mellem en gennemsigtig blød og uigennemsigtig stiv tilstand.

De udvidede begrebet sal-gel til andre materialer ved hjælp af sukkeralkohol xylitol som PCM (faseændrende materiale). Brug af sukkeralkohol, de forberedte en sukker-gel (sug-gel) gummibjørn med to-fast tilstand adfærd. Da forskerne overophedede konstruktionen til 120 grader C for at fremskynde fordampning i en uge, gummibjørnens volumen ændrede sig ikke synligt og forblev stadig i stand til adfærd i to stater.

For at oversætte sal-gel til praktiske anvendelser, Yang et al. skulle løse to tekniske spørgsmål i forhold til fordampning og følsomhed, som påvirkede implementeringen af ​​materialet. Problemerne blev delvist løst ved at belægge sal-gelen med smøremiddel for at optimere og øge dens stabilitet, de sigter mod at videreudvikle materialet i fremtiden og fuldstændigt løse begrænsningen. Forskerteamet øgede også fleksibiliteten i design og funktionalitet i to-i-et-solidet, sammenlignet med normale faste stoffer med en enkelt fast tilstand.

På denne måde, Fut (Kuo) Yang og kolleger konstruerede strategisk en solid ramme inde i en funktionel væske-superafkølet smeltet salt (natriumacetattrihydrat) ved at danne et kompatibelt polymernetværk af poly (acrylsyre) for at skabe hybridmaterialet sal-gel. Synergistiske interaktioner mellem materialerne på molekylært niveau tillod Yang et al. at udnytte de flydende egenskaber og udforske dets faseovergang og metastabilitet.

Hybridkonstruktionen viste usædvanlig materialeadfærd for at skifte mellem to stabile faste tilstande med varierende mekaniske egenskaber, der kunne eksistere sammen under lignende miljøforhold. Stivhedstilstandene krævede ikke kontinuerlig stimulering, giver mulighed for nye muligheder for avancerede applikationer. Mens det nuværende arbejde fokuserede på transformationen af ​​underkølet væske, Yang et al. forventer at udvide tilgangen til andre væsker med forskellige funktionaliteter for at diversificere sortimentet af mekanisk omskiftelige materialer.

© 2019 Science X Network