Cercetătorii au dezvoltat o nouă familie de polimeri care se pot autovindeca, au memorie de formă și sunt reciclabili

Planul naturii pentru membrul uman este o structură atent stratificată, cu os rigid înfășurat în straturi de diferite țesuturi moi, cum ar fi mușchiul și pielea, toate legate între ele perfect. Realizarea acestui tip de sofisticare folosind materiale sintetice pentru a construi piese robotice de inspirație biologică sau mașini complexe multicomponente a fost o provocare tehnică.

putea

Prin modificarea chimiei unui singur polimer, cercetătorii de la Universitatea Texas A&M și SUA Comandamentul de dezvoltare a capacităților de combatere a armatei Laboratorul de cercetare al armatei a creat o întreagă familie de materiale sintetice care variază ca textură de la ultra-moale la extrem de rigid. Cercetătorii au spus că materialele lor sunt imprimabile 3D, auto-vindecabile, reciclabile și aderă în mod natural unul la altul în aer sau sub apă.

Descoperirile lor sunt detaliate în numărul din mai al revistei Advanced Functional Materials.

„Am realizat un grup interesant de materiale ale căror proprietăți pot fi reglate fin pentru a obține fie moliciunea cauciucului, fie rezistența materialelor plastice purtătoare”, a spus Dr. Svetlana Sukhishvili, profesor la Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor și autor corespunzător al studiului. „Celelalte caracteristici dezirabile ale acestora, cum ar fi imprimabilitatea 3D și capacitatea de a se autovindeca în câteva secunde, le fac potrivite nu numai pentru proteze mai realiste și robotică moale, ci și ideale pentru aplicații militare largi, cum ar fi platforme agile pentru vehicule aeriene și auto-futuriste vindecarea aripilor avioanelor. "

Polimerii sintetici sunt compuși din șiruri lungi de motive moleculare repetate, precum margele pe un lanț. În polimerii elastomeri sau elastomeri, aceste lanțuri lungi sunt ușor reticulate, oferind materialelor o calitate cauciucată. Cu toate acestea, aceste legături încrucișate pot fi folosite și pentru a face elastomerii mai rigizi prin creșterea numărului de legături încrucișate.

Deși studiile anterioare au manipulat densitatea legăturilor încrucișate pentru a face elastomerii mai rigizi, modificarea rezultată a rezistenței mecanice a fost în general permanentă.

„Legăturile încrucișate sunt ca cusăturile într-o bucată de pânză, cu cât aveți mai multe cusături, cu atât materialul devine mai rigid și invers”, a spus Sukhishvili. „Dar, în loc să avem aceste„ cusături ”permanente, am dorit să realizăm o reticulare dinamică și reversibilă, astfel încât să putem crea materiale reciclabile.”

Așadar, cercetătorii și-au concentrat atenția asupra moleculelor implicate în reticulare. În primul rând, au ales un polimer părinte, numit prepolimer, și apoi au împânzit chimic aceste lanțuri prepolimerice cu două tipuri de molecule mici de reticulare - furan și maleimidă. Prin creșterea numărului acestor molecule din prepolimer, au descoperit că ar putea crea materiale mai rigide. În acest fel, cel mai dur material pe care l-au creat a fost de 1.000 de ori mai puternic decât cel mai moale.

Cu toate acestea, aceste legături încrucișate sunt, de asemenea, reversibile. Furanul și maleimida participă la un tip de legătură chimică reversibilă. Pur și simplu, în această reacție, perechile furan și maleimidă pot „face clic” și „desclica” în funcție de temperatură. Când temperatura este suficient de ridicată, aceste molecule se separă de lanțurile polimerice și de materialele moi. La temperatura camerei, materialele se întăresc, deoarece moleculele fac repede clic, formând din nou legături încrucișate. Astfel, dacă există vreo lacrimă în aceste materiale la temperaturi ambientale, cercetătorii au arătat că furanul și maleimida fac din nou clic, vindecând decalajul în câteva secunde.

Cercetătorii au observat că temperaturile la care reticulanții se disociază sau se desprind de lanțurile prepolimerice sunt relativ aceleași pentru niveluri diferite de rigiditate. Această proprietate este utilă pentru imprimarea 3D cu aceste materiale. Indiferent dacă sunt moi sau dure, materialele pot fi topite la aceeași temperatură și apoi utilizate ca cerneală de imprimare.

„Prin modificarea hardware-ului și a parametrilor de procesare într-o imprimantă 3D standard, am reușit să ne folosim materialele pentru a imprima obiecte 3D complexe strat cu strat”, a spus Dr. Frank Gardea, inginer de cercetare în laboratorul de cercetare al armatei Statelor Unite și autor corespunzător al studiului. "Avantajul unic al materialelor noastre este că straturile care alcătuiesc partea 3D pot avea o rigiditate foarte diferită."

Pe măsură ce partea 3D se răcește la temperatura camerei, el a adăugat că diferitele straturi se unesc perfect, excluzând necesitatea întăririi sau a oricărei alte prelucrări chimice. În consecință, piesele imprimate 3D pot fi topite cu ușurință folosind căldură ridicată și apoi reciclate ca cerneală de imprimare. Cercetătorii au remarcat, de asemenea, că materialele lor sunt reprogramabile. Cu alte cuvinte, după ce sunt așezate într-o formă, acestea pot fi transformate într-o formă diferită folosind doar căldură.

În viitor, cercetătorii intenționează să crească funcționalitatea noilor lor materiale prin amplificarea proprietăților sale multiforme descrise în studiul actual.

"În acest moment, putem realiza cu ușurință în jur de 80% auto-vindecare la temperatura camerei, dar am dori să ajungem la 100%. De asemenea, vrem să facem materialele noastre receptive la alți stimuli decât temperatura, cum ar fi lumina", a spus Gardea. „Mai departe, am vrea să explorăm introducerea unor informații de nivel scăzut, astfel încât aceste materiale să știe să se adapteze în mod autonom, fără a avea nevoie de un utilizator pentru a iniția procesul.”