211service.com
At lære en gammel polymerhukommelsestricks
Forskere har afsløret formhukommelsesegenskaber i en kommercielt tilgængelig polymer, der er meget brugt til fremstilling af brændselscellemembraner. Polymeren, Nafion, kan antage fire forskellige former som reaktion på temperaturændringer - forskere har lavet tredobbelte polymerer før. Det er uden tvivl den mest alsidige smarte polymer, der nogensinde er opdaget, sigerTao Xie, en polymerforsker ved GM Research and Development Center i Warren, MI, som offentliggjorde sine resultater i denne uges Natur .
Morphing magi: Forskere har trænet polymeren Nafion til at antage forskellige former ved forskellige temperaturer. Med uret fra øverst til venstre: polymerens oprindelige form; ved 140 ºC; ved 107 ºC; og ved 68 ºC.
Formhukommelsespolymerer går fra en foruddefineret form til en anden som reaktion på triggere såsom temperatur, lys eller magnetfelt. De fleste af disse materialer har en midlertidig form og en permanent tilstand, de vender tilbage til, når de udløses. Polymererne udvikles til selvjusterende ortodontiske bøjler, selvbindende suturer til laparoskopisk kirurgi, medicinsk udstyr såsom blodkarstenter og knogleimplantater og fly med vinger, der forvandles under flyvning.
Alsidigheden af Nafion som en flerformet polymer er overraskende, da den ikke oprindeligt blev udviklet til dette formål, sigerAndreas Lendlein, en polymer-pioner med formhukommelse ved GKSS Research Center i Teltow, Tyskland. Xie siger, at hans resultater tyder på, at en bred vifte af polymerer med lignende egenskaber kan være i stand til at ændre form flere gange.
Nafions formskiftende egenskaber indikerer også, at den kunne antage mere end fire former. Polymeren kan programmeres til at morfe ved vilkårlige temperaturer inden for et bredt område, så længe disse temperaturer er godt adskilt. Xie var i stand til at programmere tre overgange, hvilket gav i alt fire former. Man undrer sig over, hvor mange de kan huske, siger han.
Jo flere former du kan huske, jo mere kompleks kan du gøre strukturen og funktionen, siger Christoph Weder, der er polymerkemiker vedFribourg Universiteti Schweiz. Det kunne for eksempel udvide nuværende anvendelser: flyvinger, der antager fire forskellige former; rumfartøjsantenne, der udvider sig til forskellige bredder; og stents med justerbar bredde, der kunne flyttes fra et bredere blodkar til et smallere blodkar, eller som kunne placeres ved grenen af en arterie.
I 2006 udviklede Lendlein og hans kolleger et materiale, der kan antage tre former som reaktion på varmeændringer. Nøglen var at udvikle to typer polymerer med forskellige smeltepunkter. Materialet holdt en form ved stuetemperatur, skiftede til en anden form, når det blev opvarmet over et smeltepunkt, og en endelig form, når det blev opvarmet til en endnu højere temperatur.
Med Nafion, siger Xie, behøver vi ikke gøre noget fancy. Den kan programmeres til at holde flere former, fordi den har et bredt temperaturområde, 55 °C til 130 °C, hvor den forbliver blød og gummiagtig og kan deformeres. De fleste polymerer har en sådan glasovergangstemperatur; de er gummiagtige over den og skøre forneden.
Programmering af polymeren involverer opvarmning af den til en høj temperatur inden for glasovergangsområdet, deformering og derefter afkøling til en lavere temperatur, mens den deformerende kraft opretholdes. Efter begivenheden [afkøling] er den form låst, siger Xie. Deformering af polymeren og afkøling igen vil programmere yderligere former.
Xie var i stand til at programmere Nafion tre gange. Polymeren forbinder de tre midlertidige former - lange, længere og bøjede - med de temperaturer, hvor den blev deformeret. Når den er opvarmet, cykler den gennem de midlertidige former, går fra bøjet til lige og derefter kortere ved de forudindstillede temperaturer, indtil den når sin permanente form.
Hverken materialet eller konceptet er nyt, siger Weder, men dette er interessant værk og roman, da det er det første hukommelsesmateriale med fire former. Xie tager et stykke polymer, som alle kender og leger med, og han viser et nyt trick med denne polymer, siger han. I princippet kan jeg ikke se, hvorfor det ikke kan antage flere former.