211service.com
Att lära ut en gammal polymerminnestrick
Forskare har upptäckt formminnesegenskaper i en kommersiellt tillgänglig polymer som används allmänt för att tillverka bränslecellsmembran. Polymeren, Nafion, kan anta fyra olika former som svar på temperaturförändringar - forskare har gjort trippelformade polymerer tidigare. Det är utan tvekan den mest mångsidiga smarta polymeren som någonsin upptäckts, sägerTao Xie, en polymerforskare vid GM Research and Development Center i Warren, MI, som publicerade sina resultat i veckans Natur .
Morphing magi: Forskare har tränat polymeren Nafion att anta olika former vid olika temperaturer. Medurs från övre vänster: polymerens ursprungliga form; vid 140 ºC; vid 107 ºC; och vid 68 ºC.
Formminnespolymerer går från en fördefinierad form till en annan som svar på triggers som temperatur, ljus eller magnetfält. De flesta av dessa material har en tillfällig form och ett permanent tillstånd de återgår till när de utlöses. Polymererna utvecklas för självjusterande ortodontiska hängslen, självbindande suturer för laparoskopisk kirurgi, medicinsk utrustning som blodkärlsstentar och benimplantat och flygplan med vingar som förvandlas under flygning.
Mångsidigheten hos Nafion som en flerformspolymer är överraskande, eftersom den från början inte utvecklades för detta ändamål, sägerAndreas Lendlein, en formminnespolymerpionjär vid GKSS Research Center i Teltow, Tyskland. Xie säger att hans fynd tyder på att ett brett spektrum av polymerer med liknande egenskaper skulle kunna ändra form flera gånger.
Nafions formskiftande egenskaper indikerar också att den kan anta mer än fyra former. Polymeren kan programmeras att morph vid godtyckliga temperaturer inom ett brett område så länge som dessa temperaturer är väl åtskilda. Xie kunde programmera tre övergångar, vilket ger totalt fyra former. Man undrar hur många de kan minnas, säger han.
Ju fler former du kan memorera, desto mer komplex kan du göra strukturen och funktionen, säger Christoph Weder, polymerkemist vidUniversitetet i Fribourgi Schweiz. Det kan, för en, utöka nuvarande applikationer: flygplansvingar som antar fyra olika former; rymdfarkostantenn som expanderar till olika bredder; och stentar med justerbar bredd som kan flyttas från ett bredare blodkärl till ett smalare eller som kan placeras vid grenen av en artär.
2006 utvecklade Lendlein och hans kollegor ett material som kan anta tre former som svar på värmeförändringar. Nyckeln var att utveckla två typer av polymerer med distinkta smältpunkter. Materialet behöll en form vid rumstemperatur, skiftade till en andra form vid upphettning över en smältpunkt och en slutlig form vid upphettning till en ännu högre temperatur.
Med Nafion, säger Xie, behöver vi inte göra något fancy. Den kan programmeras för att hålla flera former eftersom den har ett brett temperaturområde, 55 °C till 130 °C, där den förblir mjuk och gummiliknande och kan deformeras. De flesta polymerer har en sådan glasövergångstemperatur; de är gummiartade ovanför och spröda under.
Programmering av polymeren innebär att värma den till en hög temperatur inom glasövergångsområdet, deformera och sedan kyla den till en lägre temperatur samtidigt som den deformerande kraften bibehålls. Efter händelsen [avkylning] är den formen låst, säger Xie. Deformering av polymeren och kylning av den igen kommer att programmera ytterligare former.
Xie kunde programmera Nafion tre gånger. Polymeren associerar de tre tillfälliga formerna – långa, längre och böjda – med de temperaturer vid vilka den deformerades. När den är uppvärmd cirkulerar den genom de tillfälliga formerna, går från böjd till rak och sedan kortare vid de förinställda temperaturerna tills den når sin permanenta form.
Varken materialet eller konceptet är nytt, säger Weder, men det här är intressant verk och roman eftersom det är det första minnesmaterialet i fyra formar. Xie tar en bit polymer som alla känner till och leker med och han visar ett nytt trick med den här polymeren, säger han. I princip ser jag inte varför det inte kan ta fler former.