211service.com
Een oud polymeer geheugentrucs leren
Onderzoekers hebben vormgeheugeneigenschappen ontdekt in een commercieel verkrijgbaar polymeer dat veel wordt gebruikt om brandstofcelmembranen te maken. Het polymeer, Nafion, kan vier verschillende vormen aannemen als reactie op temperatuurveranderingen - onderzoekers hebben eerder drievoudig gevormde polymeren gemaakt. Het is misschien wel het meest veelzijdige slimme polymeer dat ooit is ontdekt, zegtTao Xie, een polymeerwetenschapper bij het GM Research and Development Center in Warren, MI, die zijn bevindingen in de Natuur .
Morphing magie: Onderzoekers hebben het polymeer Nafion getraind om bij verschillende temperaturen verschillende vormen aan te nemen. Met de klok mee vanaf linksboven: de oorspronkelijke vorm van het polymeer; bij 140 ºC; bij 107 ºC; en bij 68 ºC.
Vormgeheugenpolymeren gaan van een vooraf gedefinieerde vorm naar een andere als reactie op triggers zoals temperatuur, licht of magnetisch veld. De meeste van deze materialen hebben een tijdelijke vorm en een permanente toestand waarnaar ze terugkeren wanneer ze worden geactiveerd. De polymeren worden ontwikkeld voor zelfinstellende orthodontische beugels, zelfbindende hechtingen voor laparoscopische chirurgie, medische hulpmiddelen zoals stents voor bloedvaten en botimplantaten, en vliegtuigen met vleugels die tijdens de vlucht vervormen.
De veelzijdigheid van Nafion als een meervormig polymeer is verrassend, omdat het aanvankelijk niet voor dit doel is ontwikkeld, zegtAndreas Lendlein, een pionier op het gebied van vormgeheugenpolymeer bij het GKSS Research Center in Teltow, Duitsland. Xie zegt dat zijn bevindingen suggereren dat een breed scala aan polymeren met vergelijkbare eigenschappen mogelijk meerdere keren van vorm kunnen veranderen.
De vormveranderende eigenschappen van Nafion geven ook aan dat het meer dan vier vormen kan aannemen. Het polymeer kan worden geprogrammeerd om te morphen bij willekeurige temperaturen binnen een breed bereik, zolang deze temperaturen maar goed gescheiden zijn. Xie kon drie overgangen programmeren, wat in totaal vier vormen opleverde. Je vraagt je af hoeveel ze zich kunnen herinneren, zegt hij.
Hoe meer vormen je kunt onthouden, hoe complexer je de structuur en functie kunt maken, zegt Christoph Weder, een polymeerchemicus bij deUniversiteit van Fribourgin Zwitserland. Het zou bijvoorbeeld de huidige toepassingen kunnen uitbreiden: vliegtuigvleugels die vier verschillende vormen aannemen; ruimtevaartuigantenne die uitzet tot verschillende breedtes; en stents met instelbare breedte die van een breder bloedvat naar een smaller bloedvat kunnen worden verplaatst of die bij de vertakking van een slagader kunnen worden geplaatst.
In 2006 ontwikkelden Lendlein en zijn collega's een materiaal dat drie vormen kan aannemen als reactie op warmteveranderingen. De sleutel was om twee soorten polymeren te ontwikkelen met verschillende smeltpunten. Het materiaal behield één vorm bij kamertemperatuur, verschoof naar een tweede vorm bij verhitting boven één smeltpunt en een definitieve vorm bij verhitting tot een nog hogere temperatuur.
Met Nafion, zegt Xie, hoeven we niets speciaals te doen. Het kan worden geprogrammeerd om meerdere vormen vast te houden, omdat het een breed temperatuurbereik heeft, 55 ° C tot 130 ° C, waar het zacht en rubberachtig blijft en kan worden vervormd. De meeste polymeren hebben zo'n glasovergangstemperatuur; ze zijn erboven rubberachtig en eronder broos.
Het programmeren van het polymeer omvat het verwarmen tot een hoge temperatuur binnen het glasovergangsbereik, het vervormen en vervolgens afkoelen tot een lagere temperatuur terwijl de vervormingskracht behouden blijft. Na de [afkoeling]-gebeurtenis is die vorm vergrendeld, zegt Xie. Door het polymeer te vervormen en opnieuw af te koelen, worden extra vormen geprogrammeerd.
Xie heeft Nafion drie keer kunnen programmeren. Het polymeer associeert de drie tijdelijke vormen - lang, langer en gebogen - met de temperaturen waarbij het werd vervormd. Wanneer het wordt verwarmd, doorloopt het de tijdelijke vormen, van gebogen naar recht en vervolgens korter bij die vooraf ingestelde temperaturen totdat het zijn permanente vorm bereikt.
Noch het materiaal, noch het concept zijn nieuw, zegt Weder, maar dit is interessant werk en nieuw omdat het het eerste geheugenmateriaal met vier vormen is. Xie pakt een stuk polymeer dat iedereen kent en speelt en hij laat een nieuw trucje zien met dit polymeer, zegt hij. In principe zie ik niet in waarom het niet meer vormen kan aannemen.