Shapehukommelse i hierarkiske netværk tillader manipulation af morphing-materialer med mikroskala-opløsninger

Forskere fra Tel Aviv University har for første gang opdaget en række fysiske egenskaber, der eksisterer i polymermikrofibernetværk, blandt dem "formhukommelse". Disse opdagelser åbner dørene til en række teknologiske og biologiske anvendelser, fra vævsteknologi til robotteknologi.

Undersøgelsen blev ledet af Dr. Amit Sitt og ph.d.-studerende Shiran Ziv Sharabani fra Raymond and Beverly Sackler School of Chemistry og Roman Abramovich Center for Nanoscience and Nanotechnology. Den blev udgivet i Advanced Functional Materials .

Dr. Sitt forklarer, at "I undersøgelsen skabte vi todimensionelle polymermikrofibernetværk, som undergår temperatur-inducerede formændringer. Vi opdagede for første gang, at sådanne responsive sparsomme netværk udviser formhukommelsesegenskaber - en særlig forbløffende egenskab, som vi ikke var forventer i betragtning af deres sparsomhed. Netværkene, der er sammensat af temperaturfølsomme polymerfibre, styres af de fysiske egenskaber af hver fiber. Når disse forhold modificeres, har netværkene en tendens til at demonstrere en af ​​to adfærdsveje ved afkøling – i én vej, fibre forbliver lige, og netværket bevarer sin ordnede morfologi, og i den anden vej bøjer fibrene, og netværket bliver sammenfiltret ligesom spaghetti. Det smukke er, at begge disse adfærdsbaner demonstrerer formhukommelse, og når netværket er opvarmet, genoptager det sin oprindelige ordnet morfologi Dette princip, som er demonstreret på forskellige typer netværk, tilbyder en ny måde at kontrollere ændringer i formen af ​​materialer; og tilsyneladende udmønter selv mindre ændringer i strukturen af ​​fibrene sig til en dramatisk ændring i netværkenes mikroskopiske adfærd."

De todimensionelle netværk, der blev udviklet og fremstillet på Dr. Sitts laboratorium, er baseret på en polymer kaldet PNIPAAm, og er fremstillet i en proces kendt som "Dry Spinning". I denne proces trækkes fibrene ud af den flydende polymeropløsning, hvorved de hurtigt hærder og størkner, mens hurtig fordampning af opløsningsmidlet efterlader polymeren som en tynd fiber. Denne metode gør det muligt at skabe fibre med en tykkelse på en hundrededel af en hårbredde og deres rumlige arrangement på en velordnet måde, ligesom tredimensionel udskrivning, men i meget mindre skalaer.

Dr. Sitt tilføjer, at "en af ​​de vigtigste måder, hvorpå biologiske systemer danner bevægelser og genererer kræfter, er ved at udnytte aktive hierarkiske netværk, der består af tynde mikrofilamenter, som kan ændre deres form og størrelse i henhold til eksterne stimuli. Sådanne netværk eksisterer på enkeltcelleniveau og deltager i en række cellulære og fysiske processer. For eksempel er musklerne i den menneskelige krop baseret på netværk af proteinfibre, som trækker sig sammen og slapper af efter neural stimulation. Mens de bruger en væsentlig anden mekanisme, vores rent syntetiske systemer efterligner denne adfærd, og vi kan nu modificere deres respons og bane vejen for at designe materialets morphing-adfærd med mikroskalaopløsning."

Dr. Sitt og hans team har forklaret deres interessante resultater ved hjælp af en simpel beregningsmodel. Doktorand Shiran Ziv Sharabani forklarer, at deres "teoretiske model er baseret på en grundlæggende forståelse af fjedersystemer, som er velkendte, klassiske systemer. Vi var i stand til at beskrive de to adfærdsveje, som vi observerede i laboratoriet ved hjælp af to parametre i fjedersystemet , og denne model hjalp os med at vise utvetydigt, at et netværks mikroskopiske egenskaber er tæt forbundet med en række geometriske faktorer, primært fiberdiameteren, men også tætheden af ​​hele netværket."

"Med hensyn til anvendelserne af polymernetværk," tilføjer Dr. Sitt, "kan man svæve ind i science fiction-riget, men på det praktiske niveau og i den nærmeste fremtid planlægger vi at bruge netværk til at lave stoffer og tredimensionelle stoffer. strukturer, der vil ændre form på mikronopløsningsniveauet, på en måde, der rent faktisk vil blive programmeret ind i selve materialets struktur.Samtidig arbejder vi på brugen af ​​form-morphing-netværk til at udvikle små kunstige muskler, der vil være i stand til at ændre fokus på bløde linser, adskille nano- og mikropartikler og manipulere små tang til at tage en biopsi af individuelle celler."

Ziv Sharabani konkluderer og siger, at "ved at bruge indsigten fra vores forskning kan man analysere og udlede, hvilken værktøjskasse der er nødvendig for sådanne udviklinger. Undersøgelsen, som tog mere end tre år, omfattede deltagelse af prof. Eli Flaxer fra Afeka Engineering Academic College i Tel Aviv, studerende, forskerstuderende og en gymnasieelev. Der er ingen tvivl om, at den viden, vi har tilegnet os i løbet af forskningen, er innovativ og har et rigeligt teknologisk potentiale." + Udforsk yderligere

Samling af viruspartikler for at danne skabeloner til dyrkning af polymerer med magnetiske egenskaber