Wetenschappers zien vormgeheugenactivering in ‘slim’ plastic

Onderzoekers van het hiërarchisch gestructureerde materiaallaboratorium van het Skoltech-engineeringcentrum hebben voor het eerst nanoschaaltransformaties waargenomen in samenwerking met collega’s van de Misis University en het Joint Institute for Nuclear Research.

De wetenschappers toonden aan dat de belangrijkste structurele veranderingen optreden bij een temperatuur van ongeveer 80 ° C, wat precies de trigger is voor het vormherstelproces van het materiaal. Deze bevindingen effenen de weg voor het maken van materialen die effectief kunnen reageren op externe stimuli door snel terug te keren naar hun oorspronkelijke vorm.

De studie werd gepubliceerd in de Fysieke mesomechanica tijdschrift.

Ultra-high molecuulgewicht polyethyleen staat bekend om zijn recordsterkte, slijtvastheid en biocompatibiliteit. Een even belangrijke eigenschap is echter het vermogen om zijn oorspronkelijke geometrie te “onthouden”: na vervorming keert een product dat ervan wordt gemaakt, terug naar zijn vorm bij verwarming.

Dit effect vormt de basis voor veelbelovende technologieën-van kunstmatige spieren en zelfverdeedingsstructuren tot slimme implantaten. Toch waren de moleculaire en nanostructurele mechanismen die vormherstel veroorzaken niet volledig begrepen.

Om dit aan te pakken, voerde het team een ​​uniek experiment uit: ze verwarmden een monster van een zelfversterkte composiet op basis van ultrahoge molecuulgewicht polyethyleenvezels tot 140 ° C direct in een röntgenstraal, tegelijkertijd registreren van zowel kleine en breedhoekige röntgenverstrooiing. Hierdoor konden ze de reorganisatie van de kristallijne en amorfe fasen met nanometerresolutie in realtime volgen.

Er werd ontdekt dat bij ongeveer 80 ° C scherpe veranderingen optreden in het materiaal langs de vezelrichting. De grootte van de nanostructuren neemt 1,5 keer de springwijze toe en de dimensionaliteitsparameter verandert met 10%.

Er werden geen vergelijkbare veranderingen geregistreerd in de dwarsrichting. Aldus werd voorgesteld dat de drijvende kracht achter het vormgeheugeneffect de “rechtmaken” is en herschikking van de flexibele amorfe ketens, die, net als een gecomprimeerde veer, terugkeren naar hun initiële toestand bij verwarming.

Inzicht in de fundamentele mechanismen van vormgeheugen opent het pad naar het creëren van nieuwe polymeermaterialen met op maat gemaakte eigenschappen. Ingenieurs zullen de activeringstemperatuur en herstelkracht nauwkeuriger kunnen programmeren voor specifieke toepassingen – van microscopische medische implantaten die zich in het lichaam ontvouwen bij het bereiken van de lichaamstemperatuur, tot krachtige actuatoren voor humanoïde robots en energie -oogstsystemen.

“Ons experiment is als het fotograferen van een ultra-lage-motion video van hoe het onzichtbare nanostructuur van het materiaal ’tot leven komt’ en begint te bewegen bij verwarming”, zegt de eerste auteur van de studie, onderzoekswetenschapper Evgeny Statnik bij het hiërarchisch gestructureerde materiaallaboratorium van het Skoltech Center.

“We hebben de veranderingen niet alleen vastgelegd – we hebben ze rechtstreeks gekoppeld aan de macroscopische eigenschap van het materiaal. Nu kunnen we, niet empirisch maar op een gerichte manier, voorstellen hoe we de structuur van het polymeer kunnen aanpassen om het gewenste vormgeheugeneffect te bereiken.”