211service.com
Uczenie starych sztuczek pamięci polimerowych
Naukowcy odkryli właściwości pamięci kształtu w dostępnym na rynku polimerze, który jest szeroko stosowany do wytwarzania membran ogniw paliwowych. Polimer, Nafion, może przybierać cztery różne kształty w odpowiedzi na zmiany temperatury – naukowcy już wcześniej tworzyli polimery o potrójnym kształcie. To prawdopodobnie najbardziej wszechstronny inteligentny polimer, jaki kiedykolwiek odkryto, mówiTao Xie, naukowiec zajmujący się polimerami z Centrum Badawczo-Rozwojowego GM w Warren, MI, który opublikował swoje odkrycia w tym tygodniu Natura .
Magia morfingu: Naukowcy wyszkolili polimer Nafion, aby przybierał różne kształty w różnych temperaturach. Zgodnie z ruchem wskazówek zegara od góry po lewej: oryginalny kształt polimeru; w 140 ºC; w 107 ºC; iw 68 ºC.
Polimery z pamięcią kształtu przechodzą od określonego kształtu do innego w odpowiedzi na czynniki wyzwalające, takie jak temperatura, światło lub pole magnetyczne. Większość z tych materiałów ma jeden tymczasowy kształt i stały stan, do którego powracają po uruchomieniu. Polimery są opracowywane na potrzeby samoregulujących się aparatów ortodontycznych, szwów samowiążących do chirurgii laparoskopowej, urządzeń medycznych, takich jak stenty naczyń krwionośnych i implanty kostne, oraz samolotów ze skrzydłami, które zmieniają się podczas lotu.
Wszechstronność Nafionu jako polimeru o wielu kształtach jest zaskakująca, ponieważ początkowo nie został opracowany w tym celu, mówiAndreas Lendlein, pionier polimerów z pamięcią kształtu w Centrum Badawczym GKSS w Teltow w Niemczech. Xie twierdzi, że jego odkrycia sugerują, że szeroka gama polimerów o podobnych właściwościach może wielokrotnie zmieniać kształt.
Właściwości zmiennokształtne Nafionu wskazują również, że może on przybrać więcej niż cztery kształty. Polimer można zaprogramować tak, aby zmieniał się w dowolnych temperaturach w szerokim zakresie, o ile te temperatury są dobrze rozdzielone. Xie był w stanie zaprogramować trzy przejścia, dając w sumie cztery kształty. Zastanawiasz się, ile pamiętają, mówi.
Im więcej kształtów można zapamiętać, tym bardziej złożona jest struktura i funkcja, mówi Christoph Weder, chemik polimerów wUniwersytet we Fryburguw Szwajcarii. Po pierwsze, może rozszerzyć obecne zastosowania: skrzydła samolotu przybierają cztery różne formy; antena statku kosmicznego, która rozszerza się na różne szerokości; oraz stenty o regulowanej szerokości, które można przenieść z szerszego naczynia krwionośnego do węższego lub umieścić na odgałęzieniu tętnicy.
W 2006 roku Lendlein i jego koledzy opracowali materiał, który może przybierać trzy kształty w odpowiedzi na zmiany temperatury. Kluczem było opracowanie dwóch rodzajów polimerów o różnych temperaturach topnienia. Materiał zachował jeden kształt w temperaturze pokojowej, przesunął się do drugiego kształtu po podgrzaniu powyżej jednej temperatury topnienia i ostatecznego kształtu po podgrzaniu do jeszcze wyższej temperatury.
Xie mówi, że z Nafionem nie musimy robić nic wymyślnego. Można go zaprogramować na wiele kształtów, ponieważ ma szeroki zakres temperatur, od 55 °C do 130 °C, gdzie pozostaje miękki i gumowaty oraz może ulec deformacji. Większość polimerów ma jedną taką temperaturę zeszklenia; są gumowate powyżej i kruche poniżej.
Programowanie polimeru polega na podgrzaniu go do wysokiej temperatury w zakresie zeszklenia, odkształceniu, a następnie schłodzeniu do niższej temperatury przy zachowaniu siły odkształcania. Po zdarzeniu [chłodzenie] ten kształt jest zablokowany, mówi Xie. Odkształcenie polimeru i ponowne jego schłodzenie zaprogramuje dodatkowe kształty.
Xie był w stanie zaprogramować Nafion trzy razy. Polimer łączy trzy tymczasowe kształty – długi, dłuższy i wygięty – z temperaturami, w jakich został odkształcony. Po podgrzaniu przechodzi przez tymczasowe kształty, przechodząc od wygiętego do prostego, a następnie krótszego w tych zaprogramowanych temperaturach, aż osiągnie trwały kształt.
Ani materiał, ani koncepcja nie są nowe, mówi Weder, ale jest to ciekawa praca i nowość, ponieważ jest to pierwszy materiał pamięciowy w czterech kształtach. Xie bierze kawałek polimeru, który wszyscy znają i bawią się nim, i pokazuje nową sztuczkę z tym polimerem, mówi. W zasadzie nie rozumiem, dlaczego nie może przybierać większej liczby kształtów.