Hoppefilm udnytter fugtighedens kraft

Forskere fra RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) og University of Tokyo har udviklet en film, der krøller sammen og retter sig selvstændigt ud, når den udsættes for små, knapt målbare ændringer i den omgivende luftfugtighed. Ved bestråling med ultraviolet lys, som forårsager ændringer i filmens evne til at absorbere og desorbere vand, den kan endda "hoppe" op i luften.

Ifølge Daigo Miyajima fra CEMS, "Vores undersøgelse startede fra et serendipitalt fund. Da vi placerede en forbindelse kaldet guanidiniumcarbonat i en højtemperaturovn, vi fandt ud af, at det ikke kun dannede et pulveragtigt stof - som det er sædvanligt i lignende processer - men også en gullig film, der klæbede til overfladen af ​​substratet. Filmen var en carbonnitritpolymer sammensat af stablede polymerer af heptazin orienteret parallelt med overfladen af ​​substratet."

Overraskelsen kom, da holdet begyndte at analysere denne usædvanlige film. De var i stand til at fjerne det fra underlaget ved at lægge det i blød i varmt vand, og fandt ud af, at den var ekstrem let på trods af dens sejhed. Hvad de ikke kunne forklare i starten var, at under omgivende forhold, materialet ville pludselig bøje sig og derefter rette sig ud igen, uden nogen åbenlys ekstern stimulans.

Gruppen lavede en række eksperimenter for at bestemme, hvorfor dette skete, og fandt ud af, at nøglen var lille, væsentlige uopdagelige ændringer i den omgivende luftfugtighed. De fandt, for eksempel, at flytte en dråbe vand ind i nærheden af ​​filmen ville få den til at rette sig ud, men at dette ikke skete, da de sikrede, at der ikke var luftbevægelse inde i kassen. De vejede filmen, når den var strakt ud og krøllet sammen, og fandt et lille fald - på kun 680 nanogram pr. 10 kvadratmillimeter - i den krøllede konfiguration. De konkluderede, at det desorberede vand på den ene overflade, og at bindingerne mellem vandmolekylerne og polymeren skabte mekanisk stress, som ændrede filmens form. Ændringen skete ekstremt hurtigt - det tog kun 50 millisekunder, da filmen blev udsat for ultraviolet lys.

Bevægelsen var også kraftfuld. Når filmen blev placeret på en flad overflade og fik den til at krølle sammen, det kunne bogstaveligt talt hoppe til en højde på en centimeter, en højde 10, 000 gange filmens tykkelse. Det var også holdbart:I et eksperiment bestrålede de filmen gentagne gange med ultraviolet lys, den bøjede og rettede sig mere end 10, 000 gange uden nogen mærkbar forringelse.

I et sidste eksperiment, forskerne dækkede den ene halvdel af filmen med tyndt guld, at stoppe absorption og desorption af vand, og derefter udsat den for gentagne krøller og glatninger. Filmen kunne faktisk gå over en overflade, trækker sig selv, mens halvdelen af ​​filmen bøjede og slappede af.

Ifølge Takuzo Aida, leder af Emergent Soft Matter Function Research Group ved CEMS og en professor ved University of Tokyo, "På samme måde som et mekanisk ur udnytter håndleddets naturlige bevægelser til at få energi, denne film tager små udsving i den omgivende luftfugtighed og omdanner dem til mekanisk energi. Denne type enhed vil være nyttig til at skabe et bæredygtigt samfund."

Forskningen blev offentliggjort den 18. juli i Naturmaterialer .