Een vormveranderend materiaal op basis van anorganische materie

Door platen op titaniumbasis in water in te bedden, heeft een groep onder leiding van wetenschappers van het RIKEN Center for Emergent Matter Science een materiaal gemaakt met anorganische materialen die door middel van temperatuurveranderingen kunnen worden omgezet van een harde gel in zachte materie.

Sciencefiction bevat vaak anorganische levensvormen, maar in werkelijkheid zijn organismen en apparaten die reageren op prikkels zoals temperatuurveranderingen bijna altijd gebaseerd op organische materialen, en daarom heeft onderzoek op het gebied van ‘adaptieve materialen’ zich bijna uitsluitend gericht op organische stoffen. . Het gebruik van anorganische materialen zoals metalen heeft echter voordelen, waaronder mogelijk betere mechanische eigenschappen.

Met het oog hierop besloot de door RIKEN geleide groep te proberen het gedrag van organische hydrogels na te bootsen, maar met behulp van anorganische materialen. De inspiratie voor het materiaal komt van een waterdier dat zeekomkommer wordt genoemd. Zeekomkommers zijn fascinerende dieren, verwant aan zeesterren (maar niet aan komkommers!) – die het vermogen hebben om hun huid van een harde laag in een soort gelei te veranderen, waardoor ze hun interne organen kunnen weggooien – die uiteindelijk opnieuw worden gekweekt – om ontsnappen aan roofdieren. In het geval van de zeekomkommers veroorzaken chemicaliën die vrijkomen door hun zenuwstelsel de verandering in de configuratie van een eiwitsteiger, waardoor de verandering ontstaat.

Om het te halen, experimenteerden de onderzoekers met het rangschikken van nanobladen – in dit geval dunne bladen van titaniumoxide – in water, waarbij de nanobladen 14 procent uitmaken en water 86 procent van het materiaal.

Volgens Koki Sano van RIKEN CEMS, de eerste auteur van het artikel: “De sleutel tot het feit of een materiaal een zachte hydrogel of een hardere gel is, is gebaseerd op de balans tussen de aantrekkende en afstotende krachten tussen de nanobladen. Als de afstotende krachten domineren, het is zachter, maar als de aantrekkelijke sterk zijn, worden de vellen opgesloten in een driedimensionaal netwerk en kan het herschikken tot een hardere gel. Door fijn afgestemde elektrostatische afstoting te gebruiken, hebben we geprobeerd een gel te maken waarvan de eigenschappen zouden veranderen afhankelijk van op temperatuur. “

De groep slaagde hier uiteindelijk in en ontdekte dat het materiaal veranderde van een zachtere door afstoting gedomineerde toestand naar een hardere door aantrekkingskracht gedomineerde toestand bij een temperatuur van ongeveer 55 graden Celsius. Ze ontdekten ook dat ze het proces herhaaldelijk konden herhalen zonder significante verslechtering. “Wat fascinerend was,” vervolgt hij, “is dat dit overgangsproces binnen slechts twee seconden voltooid is, hoewel het een grote structurele herschikking vereist. Deze overgang gaat gepaard met een 23-voudige verandering in de mechanische elasticiteit van de gel, wat doet denken aan zee komkommers.”

Om het materiaal bruikbaarder te maken, doopten ze het vervolgens met gouden nanodeeltjes die licht in warmte konden omzetten, waardoor ze laserlicht op het materiaal konden laten schijnen om het op te warmen en de structuur te veranderen.

Volgens Yasuhiro Ishida van RIKEN CEMS, een van de corresponderende auteurs van het artikel, “is dit echt opwindend werk omdat het de reikwijdte van de stof die kan worden gebruikt in adaptieve materialen van de volgende generatie enorm opent, en ons misschien zelfs in staat stelt om een vorm van anorganisch leven. ”