Vormgeheugen in hiërarchische netwerken maakt manipulatie van morphing-materialen mogelijk met resoluties op microschaal

Onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv hebben voor het eerst een reeks fysieke eigenschappen ontdekt die aanwezig zijn in polymere microvezelnetwerken, waaronder ‘vormgeheugen’. Deze ontdekkingen openen de deuren naar een reeks technologische en biologische toepassingen, van weefseltechnologie tot robotica.

De studie werd geleid door Dr. Amit Sitt en promovendus Shiran Ziv Sharabani van de Raymond and Beverly Sackler School of Chemistry en het Roman Abramovich Center for Nanoscience and Nanotechnology. Het is gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen.

Dr. Sitt legt uit: “In het onderzoek hebben we tweedimensionale polymere microvezelnetwerken gecreëerd die door temperatuur geïnduceerde vormveranderingen ondergaan. We ontdekten voor het eerst dat zulke responsieve dunne netwerken vormgeheugeneigenschappen vertonen – een bijzonder verbazingwekkende eigenschap die we niet hadden verwacht gezien hun schaarsheid. De netwerken, bestaande uit temperatuurgevoelige polymeervezels, worden gecontroleerd door de fysieke eigenschappen van elke vezel. Wanneer deze omstandigheden worden gewijzigd, vertonen de netwerken de neiging om een ​​van de twee gedragsroutes te vertonen bij afkoeling – in één pad, de vezels blijven recht en het netwerk behoudt zijn geordende morfologie, en in het andere pad buigen de vezels en raakt het netwerk verward, net als spaghetti.Het mooie is dat beide gedragspaden vormgeheugen vertonen, en eenmaal verwarmd, hervat het netwerk zijn oorspronkelijke geordende morfologie.Dit principe, dat op verschillende soorten netwerken wordt gedemonstreerd, biedt een nieuwe manier om te controleren veranderingen in de vorm van materialen; en blijkbaar vertalen zelfs kleine veranderingen in de structuur van de vezels zich in een dramatische verandering in het microscopische gedrag van de netwerken.”

De tweedimensionale netwerken die zijn ontwikkeld en vervaardigd in het laboratorium van Dr. Sitt zijn gebaseerd op een polymeer genaamd PNIPAAm, en worden vervaardigd in een proces dat bekend staat als ‘Dry Spinning’. Daarbij worden de vezels uit de vloeibare polymeeroplossing getrokken, waarbij ze snel uitharden en stollen, terwijl snelle verdamping van het oplosmiddel het polymeer als een dunne vezel achterlaat. Met deze methode kunnen vezels met een dikte van een honderdste haarbreedte en hun ruimtelijke ordening op een ordelijke manier worden gemaakt, net als driedimensionaal printen, maar op veel kleinere schaal.

Dr. Sitt voegt eraan toe dat “een van de belangrijkste manieren waarop biologische systemen bewegingen vormen en krachten genereren, is door de exploitatie van actieve hiërarchische netwerken die bestaan ​​uit dunne microfilamenten, die hun vorm en grootte kunnen veranderen in overeenstemming met externe stimuli. Dergelijke netwerken bestaan ​​op het niveau van een enkele cel en nemen deel aan een reeks cellulaire en fysieke processen. De spieren in het menselijk lichaam zijn bijvoorbeeld gebaseerd op netwerken van eiwitvezels, die samentrekken en ontspannen na neurale stimulatie. Terwijl ze een aanzienlijk ander mechanisme gebruiken, onze puur synthetische systemen bootsen dit gedrag na, en we kunnen nu hun reactie aanpassen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor het ontwerpen van het morphing-gedrag van het materiaal met resolutie op microschaal.”

Dr. Sitt en zijn team hebben hun interessante resultaten uitgelegd met behulp van een eenvoudig rekenmodel. Promovendus Shiran Ziv Sharabani legt uit dat hun “theoretische model is gebaseerd op een basiskennis van veersystemen, wat bekende, klassieke systemen zijn. We waren in staat om de twee gedragspaden te beschrijven die we in het laboratorium hebben waargenomen met behulp van twee parameters van het veersysteem , en dit model heeft ons geholpen om ondubbelzinnig aan te tonen dat de microscopische eigenschappen van een netwerk nauw verband houden met een reeks geometrische factoren, voornamelijk de vezeldiameter maar ook de dichtheid van het hele netwerk.”

“Wat de toepassingen van polymeernetwerken betreft,” voegt Dr. Sitt eraan toe, “men kan de wereld van sciencefiction binnenvliegen, maar op praktisch niveau en in de nabije toekomst zijn we van plan om netwerken te gebruiken om stoffen en driedimensionale structuren die van vorm zullen veranderen op micronresolutieniveau, op een manier die daadwerkelijk in de structuur van het materiaal zelf wordt geprogrammeerd.Tegelijkertijd werken we aan het gebruik van vormveranderende netwerken om kleine kunstmatige spieren te ontwikkelen die in staat zijn om de focus van zachte lenzen te veranderen, nano- en microdeeltjes te scheiden en kleine tangen te manipuleren voor het nemen van een biopsie van individuele cellen.”

Ziv Sharabani besluit en zegt dat “met behulp van de inzichten van ons onderzoek, men kan analyseren en afleiden welke toolbox nodig is voor dergelijke ontwikkelingen. De studie, die meer dan drie jaar duurde, omvatte de deelname van Prof. Eli Flaxer van Afeka Engineering Academic College in Tel Aviv, studenten, onderzoeksstudenten en een middelbare scholier. Het lijdt geen twijfel dat de kennis die we tijdens het onderzoek hebben opgedaan innovatief is en een overvloedig technologisch potentieel heeft.”