Højenergi formhukommelsespolymer kunne en dag hjælpe robotter med at bøje deres muskler

Når strakt eller deformeret, Formhukommelsespolymerer vender tilbage til deres oprindelige former efter varme eller lys er påført. Disse materialer viser et stort løfte for blød robotteknologi, intelligente biomedicinske enheder og deployerbare rumstrukturer, men indtil nu har de ikke været i stand til at lagre nok energi. Nu, forskere, der rapporterer i ACS Central Science har udviklet en formhukommelsespolymer, der lagrer næsten seks gange mere energi end tidligere versioner.

Formhukommelsespolymerer veksler mellem en original, udeformeret tilstand og en sekundær, deformeret tilstand. Den deformerede tilstand skabes ved at strække polymeren og holdes på plads af molekylære ændringer, såsom dynamiske bindingsnetværk eller belastningsinduceret krystallisation, der vendes med varme eller lys. Polymeren vender derefter tilbage til sin oprindelige tilstand gennem frigivelse af lagret entropisk energi. Men det har været udfordrende for forskere at få disse polymerer til at udføre energikrævende opgaver. Zhenan Bao og kolleger ønskede at udvikle en ny type formhukommelsespolymer, der strækker sig ind i en stabil, meget langstrakt tilstand, giver den mulighed for at frigive store mængder energi, når den vender tilbage til sin oprindelige tilstand.

Forskerne inkorporerede 4-, 4'-methylenbisphenylurinstof-enheder til en poly(propylenglycol)-polymer-rygrad. I polymerens oprindelige tilstand, polymerkæder var sammenfiltrede og uordnede. Udstrækning fik kæderne til at justere og danne brintbindinger mellem urinstofgrupper, skabe supermolekylære strukturer, der stabiliserede den meget aflange tilstand. Opvarmning fik bindingerne til at bryde og polymeren til at trække sig sammen til dens oprindelige, forstyrret tilstand.

I test, polymeren kunne strækkes op til fem gange sin oprindelige længde og lagre op til 17,9 J/g energi – næsten seks gange mere energi end tidligere formhukommelsespolymerer. Holdet demonstrerede, at det strakte materiale kunne bruge denne energi til at løfte genstande 5, 000 gange sin egen vægt ved opvarmning. De lavede også en kunstig muskel ved at fastgøre den forstrakte polymer til over- og underarmen af ​​en træmannequin. Ved opvarmning, det indgåede materiale, får mannequinen til at bøje armen ved albuen. Ud over dens rekordhøje energitæthed, formhukommelsespolymeren er også billig (råmaterialer koster omkring $11 pr. lb) og nem at lave, siger forskerne.