Современные гибкие материалы умеют принимать сложные формы

Ученые Университета Райса создали эластичный, изменяющий форму материал, который по требованию превращается из одной сложной формы в другую. Формы, запрограммированные в полимер исследователем материалов Рафаэлем Вердузко и аспирантом Морганом Барнсом, появляются в условиях окружающей среды и тают при нагревании.

Процесс также работает в обратном порядке. При охлаждении преобладает запрограммированная в жидкие кристаллы форма, но при нагревании кристаллы расслабляются в эластомере, похожем на резинку, как во время таяния льда в воде. В большинстве образцов, которые Барнс сделал до сих пор, включая человеческое лицо, логотип Райса, блок Lego и розу, материал приобретает сложную форму при комнатной температуре, но при нагревании до температуры перехода около 80 градусов.

По Цельсию (176 градусов по Фаренгейту), он сворачивается в плоский лист. Когда тепло убрано, фигуры всплывают в течение нескольких минут. Как бы странно это ни звучало, материал поможет создавать мягких роботов, имитирующих организмы, и в биомедицинских приложениях, где требуются материалы, которые принимают заранее запрограммированные формы при температуре тела.

Исследования в области новых материалов

Исследование описано в журнале Soft Matter Королевского химического общества. «Они сделаны с двухэтапной химией, которая была сделана в течение долгого времени», - сказал Вердузко, профессор химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения и наноинженерии.

«Люди сосредоточились на моделировании жидких кристаллов, но даже не думали о том, как эти две сети взаимодействуют друг с другом». «Мы подумали, что если мы сможем оптимизировать баланс между сетями - сделать их не слишком жесткими и не слишком мягкими, - мы могли бы получить эти сложные изменения формы».

Жидкокристаллическое состояние легче всего программировать, сказал он. Как только материалу придана форма, пять минут отверждения в ультрафиолетовом свете устанавливают кристаллический порядок. Барнс также сделал образцы, которые переключаются между двумя формами. «Вместо простых одноосных изменений формы, когда у вас есть что-то, что удлиняется и сжимается, у нас есть возможность перейти от 2D-формы к 3D-форме или из одной 3D-формы в другую 3D-форму».

Дальнейшее развитие технологии

Следующая цель лаборатории - снизить температуру перехода. «Активация при температуре тела открывает нам множество новых возможностей», - сказал Барнс. Она сказала, что тактильные кнопки смартфона, которые появляются при прикосновении или текст Брайля для слабовидящих, находятся в пределах досягаемости технологии как возможные проекты. Она также хотела бы разработать вариант, который реагирует на свет, а не на тепло.

«Мы хотим сделать его реагирующим на свет», - сказал Барнс. «Вместо того, чтобы нагревать весь образец, вы можете активировать только ту часть жидкокристаллического эластомера, которую хотите контролировать. Это был бы намного более простой способ управления мягким роботом».