Універсальне нове сімейство матеріалів може створити реалістичне протезування, футуристичні армійські платформи

Дослідники розробили нове сімейство полімерів, які можуть самовідновлюватися, мати пам'ять форми і піддаватися вторинній переробці

План природи для кінцівки людини - це ретельно шарувата структура з жорсткою кісткою, обмотаною шарами різних м’яких тканин, таких як м’язи та шкіра, які ідеально пов’язані між собою. Досягнення такої вишуканості з використанням синтетичних матеріалів для створення біологічно натхненних робототехнічних деталей або багатокомпонентних складних машин стало інженерним завданням.

нове

Налаштувавши хімію одного полімеру, дослідники з Техаського університету A&M та Армійської дослідницької лабораторії командування бойових можливостей армії США створили ціле сімейство синтетичних матеріалів, які мають різну текстуру - від надм'яких до надзвичайно жорстких. Дослідники заявили, що їх матеріали можна друкувати у форматі 3D, самовідновлюються, підлягають вторинній переробці, і вони природно прилипають один до одного у повітрі або під водою.

Їх висновки детально викладені у травневому номері журналу Advanced Functional Materials.

"Ми створили захоплюючу групу матеріалів, властивості яких можна тонко налаштувати, щоб отримати або м'якість гуми, або міцність несучих пластмас", - сказала д-р Світлана Сухішвілі, професор кафедри матеріалознавства та техніки та відповідний автор дослідження. "Інші їх бажані характеристики, такі як 3D-друкованість і здатність до самовідновлення протягом декількох секунд, роблять їх придатними не просто для більш реалістичного протезування та м'якої робототехніки, а також ідеально підходять для широких військових застосувань, таких як гнучкі платформи для повітряних транспортних засобів та футуристичні самоврядування. цілющі літальні крила ".

Синтетичні полімери складаються з довгих ниток молекулярних мотивів, що повторюються, як бісер на ланцюжку. В еластомерних полімерах або еластомерах ці довгі ланцюги злегка зшиваються, надаючи матеріалам гумової якості. Однак ці зшивки також можна використовувати для того, щоб зробити еластомери більш жорсткими за рахунок збільшення кількості зшивок.

Хоча попередні дослідження маніпулювали щільністю зшивок, щоб зробити еластомери жорсткішими, отримана зміна механічної міцності, як правило, була постійною.

"Зшивки - це як шви в шматку тканини, чим більше швів у вас, тим жорсткіший матеріал і навпаки", - сказав Сухішвілі. "Але замість того, щоб ці" шви "були постійними, ми хотіли досягти динамічного та оборотного зшивання, щоб ми могли створювати матеріали, які можна переробляти".

Отже, дослідники зосередили свою увагу на молекулах, які беруть участь у зшиванні. Спочатку вони вибрали вихідний полімер, званий форполімером, а потім хімічно обсипали ці форполімерні ланцюги двома типами малих зшиваючих молекул - фураном та малеїмідом. Збільшивши кількість цих молекул у форполімері, вони виявили, що вони можуть створити матеріали жорсткішими. Таким чином, найтвердіший матеріал, який вони створили, був в 1000 разів міцнішим за найм'якший.

Однак ці зшивки також є оборотними. Фуран і малеїмід беруть участь у типі оборотного хімічного зв’язку. Простіше кажучи, у цій реакції пари фурану та малеіміду можуть "клацати" та "знімати клацання" залежно від температури. Коли температура досить висока, ці молекули відокремлюються від полімерних ланцюгів, і матеріали розм’якшуються. При кімнатній температурі матеріали тверднуть, оскільки молекули швидко клацаються назад, знову утворюючи зшивки. Таким чином, якщо в цих матеріалах є розриви при температурі навколишнього середовища, дослідники показали, що фуран та малеімід автоматично повторно клацають, заживаючи щілину протягом декількох секунд.

Дослідники відзначили, що температури, при яких зшивачі дисоціюють або відмикаються від ланцюгів форполімеру, відносно однакові для різних рівнів жорсткості. Ця властивість корисна для 3D-друку на цих матеріалах. Незалежно від того, м’які вони чи тверді, матеріали можна плавити при однаковій температурі, а потім використовувати як друкарські фарби.

"Змінивши апаратні засоби та параметри обробки в стандартному 3D-принтері, ми змогли використовувати наші матеріали для друку складних 3D-об'єктів шар за шаром", - сказав д-р Френк Гардеа, інженер-дослідник з Науково-дослідної лабораторії армії США та автор-кореспондент. на дослідженні. "Унікальна перевага наших матеріалів полягає в тому, що шари, що складають 3D-частину, можуть мати надзвичайно різну жорсткість".

Коли 3D-частина охолоджується до кімнатної температури, він додав, що різні шари плавно з’єднуються, виключаючи необхідність затвердіння або будь-якої іншої хімічної обробки. Отже, деталі, надруковані у форматі 3D, можна легко розплавити за допомогою сильного нагрівання, а потім переробити у вигляді друкарської фарби. Дослідники також зазначили, що їх матеріали можна перепрограмувати. Іншими словами, після встановлення в одну фігуру їх можна змінити в іншу форму, використовуючи лише тепло.

У майбутньому дослідники планують збільшити функціональність своїх нових матеріалів, посилюючи їх багатогранні властивості, викладені в поточному дослідженні.

"Зараз ми можемо легко досягти приблизно 80% самовідновлення при кімнатній температурі, але ми хотіли б досягти 100%. Крім того, ми хочемо зробити так, щоб наші матеріали реагували на інші подразники, крім температури, такі як світло", - сказав Гардеа. "Далі вперед, ми хотіли б вивчити впровадження деяких інтелекту низького рівня, щоб ці матеріали могли самостійно адаптуватися, не потребуючи користувача для ініціювання процесу".