Omdanne cirkler til firkanter:Forskere omkonfigurerer materialetopologi på mikroskalaen

Rekonfigurerbare materialer kan gøre fantastiske ting. Flade ark forvandles til et ansigt. En ekstruderet terning forvandles til snesevis af forskellige former. Men der er én ting, et rekonfigurerbart materiale endnu ikke skal kunne ændre:dets underliggende topologi. Et rekonfigurerbart materiale med 100 celler vil altid have 100 celler, selvom disse celler er strakt eller klemt.

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en metode til at ændre et cellulært materiales grundlæggende topologi i mikroskala. Forskningen er publiceret i Natur .

"At skabe cellulære strukturer, der er i stand til dynamisk at ændre deres topologi, vil åbne nye muligheder for at udvikle aktive materialer med informationskryptering, selektiv partikelfangning, samt indstillelige mekaniske, kemiske og akustiske egenskaber, " sagde Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialevidenskab ved SEAS og professor i kemi og kemisk biologi og seniorforfatter af papiret.

Forskerne udnyttede den samme fysik, som klumper vores hår sammen, når det bliver vådt - kapillærkraft. Kapillærkraft virker godt på bløde, kompatibelt materiale, ligesom vores hår, men kæmper med stive cellulære strukturer, der kræver bøjning, strækning eller foldning af vægge, især omkring stærke, forbundne noder. Kapillærkraft er også midlertidig, med materialer, der har tendens til at vende tilbage til deres oprindelige konfiguration efter tørring.

For at udvikle en langtidsholdbar, men reversibel metode til at transformere topologien af ​​stive cellulære mikrostrukturer, forskerne udviklede en todelt dynamisk strategi. De begyndte med en stiv, polymer cellulær mikrostruktur med en trekantet gittertopologi, og udsatte den for dråber af et flygtigt opløsningsmiddel valgt til at svulme og blødgøre polymeren i molekylær skala. Dette gjorde materialet midlertidigt mere fleksibelt og i denne fleksible tilstand, kapillærkræfterne påført af den fordampende væske trak kanterne af trekanter sammen, ændre deres forbindelser med hinanden og transformere dem til sekskanter. Derefter, da opløsningsmidlet hurtigt fordampede, materialet tørrede og blev fanget i sin nye konfiguration, genvinder sin stivhed. Hele processen tog et spørgsmål om sekunder.

"Når du tænker på ansøgninger, det er virkelig vigtigt ikke at miste et materiales mekaniske egenskaber efter transformationsprocessen, " sagde Shucong Li, en kandidatstuderende i Aizenberg Lab og medførsteforfatter af papiret. "Her, vi viste, at vi kan starte med et stift materiale og slutte med et stift materiale gennem processen med midlertidig blødgøring af det på rekonfigurationsstadiet."

Materialets nye topologi er så holdbar, at den kan modstå varme eller være nedsænket i nogle væsker i flere dage uden at skille ad. Dens robusthed udgjorde faktisk et problem for de forskere, der havde håbet på at gøre transformationen reversibel.

For at vende tilbage til den oprindelige topologi, forskerne udviklede en teknik, der kombinerer to væsker. Den første svulmer midlertidigt gitteret, som skiller de vedhæftede vægge af sekskanterne fra hinanden og tillader gitteret at vende tilbage til sin oprindelige trekantede struktur. Sekundet, mindre flygtig væske forsinker fremkomsten af ​​kapillarkræfter, indtil den første væske er fordampet, og materialet har genvundet sin stivhed. På denne måde strukturerne kan samles og adskilles gentagne gange og fanges i enhver mellemliggende konfiguration.

"For at udvide vores tilgang til vilkårlige gitter, det var vigtigt at udvikle en generaliseret teoretisk model, der forbinder cellulære geometrier, materialestivhed og kapillærkræfter, " sagde Bolei Deng, medforfatter af papiret og kandidatstuderende i laboratoriet af Katia Bertoldi, William og Ami Kuan Danoff professor i anvendt mekanik ved SEAS.

Vejledt af denne model, forskerne demonstrerede programmerede reversible topologiske transformationer af forskellige gittergeometrier og responsive materialer, herunder at omdanne et gitter af cirkler til firkanter.

Forskerne udforskede forskellige anvendelser til undersøgelsen. For eksempel, holdet kodede mønstre og design ind i materialet ved at lave små, usynlige justeringer af geometrien af ​​det trekantede gitter.

"Du kan forestille dig, at dette bliver brugt til informationskryptering i fremtiden, fordi du ikke kan se mønsteret i materialet, når det er i sin usamlede tilstand, " sagde Li.

Forskerne påviste også meget lokal transformation, samle og adskille områder af gitteret med en lille dråbe væske. Denne metode kan bruges til at justere et materiales friktions- og befugtningsegenskaber, ændre dens akustiske egenskaber og mekaniske modstandsdygtighed, og fanger endda partikler og gasbobler.

"Vores strategi kan anvendes på en række applikationer, sagde Bertoldi, som også er medforfatter til papiret. "Vi kan anvende denne metode til forskellige materialer, herunder responsive materialer, forskellige geometrier og forskellige skalaer, selv nanoskalaen, hvor topologi spiller en central rolle i design af afstembare fotoniske meta-overflader. Designrummet til dette er enormt. "