Технології
Технології

Нагрітий полімер зігнув руку манекена і підняв гайковий ключ

Вчені підігріли полімер з ефектом пам'яті та змусили його піднімати навантаження, скручуючись і випрямляючись. Зміна форми дала змогу матеріалу витягнути на собі більшу майже у п'ять тисяч разів вагу, а стійкість полімеру дозволяє проходити кілька циклів таких корисних деформацій. Як нагрів до 70 градусів змусив стрічку полімеру виконувати роботу, американські матеріалознавці повідомили у ACS Central Science.

Christopher B. Cooper et al. / ACS Central Science, 2021

Christopher B. Cooper et al. / ACS Central Science, 2021

Навіщо вчені гріли полімери?

Для більшості нових інженерних сфер, як-то м'яка робототехніка, що славиться своєю гнучкістю, або «розумні» матеріали, які вміють самостійно затягувати поранення або змінювати свою форму, вчені використовують ефект пам'яті форми. Найзручнішими та найбільш поширеними для більшості подібних задач є полімери, які завоювали матеріалознавців високою пластичністю, простотою в обробці, низькою щільністю та сумісністю з 3D-принтерами. Вони здатні змінювати та повертати собі форму під дією температури або світла, що зумовлюється міжмолекулярними зв'язками. Втім, навіть якщо їх можна запрограмувати на визначений тип руху або локально керувати спрацьовуванням ефекту пам'яті, вони страждають від того, що не здатні накопичити достатню кількість енергії на виконання механічної роботи — більшість має менше мегаджоуля на кубічний метр площини. Щоб збільшити щільність енергії у матеріалі, його також необхідно ущільнити, однак таким чином полімери втрачають високу деформованість та припиняють «пам'ятати» про свою форму. Тож зазвичай інженери стоять перед вибором: збільшити щільність молекулярних з'єднань у структурі полімеру та дати йому краще накопичувати енергію, або ж лишити його піддатливим і деформованим, але менш енергійним та слабшим.

Але з часом вчені навчилися створювати динамічні зв'язки всередині матеріалів — такі, що можуть розриватися, змінюватися та об'єднуватися, а заразом і покращувати механічні характеристики заснованих на такій концепції композитів. Однак, варто враховувати, що включення нових з'єднань для створення динамічної поведінки, за деформації веде створення так званих «острівків кристалізації» на стиках. Їх складно контролювати і , хоч вони сприяють кращому накопиченню енергії, з часом ведуть до погіршення вміння тримати форму і пам'ятати її. У цій роботі дослідники взялися за створення нового механізму, що змусить полімер не лише не забувати, у що він вміє деформуватися, а і перебудовувати свої внутрішньомолекулярні зв'язки так, щоб накопичувати до 19,6 мегаджоуля енергії на кубічний метр — у шість разів більше за всі відомі досі композити.

Міжмолекулярні зв'язки полімеру у його звичайному стані (зліва), а також їхня нова ієрархічна структура, що утворюється через деформацію. Christopher B. Cooper et al. / ACS Central Science, 2021

Міжмолекулярні зв'язки полімеру у його звичайному стані (зліва), а також їхня нова ієрархічна структура, що утворюється через деформацію. Christopher B. Cooper et al. / ACS Central Science, 2021

Як не забувати свою форму?

Запам'ятовування форми можна розглядати як термомеханічний цикл, що складається з генерації відновного стресу, тобто напруження, його накопичення і зняття. Він виникає через пружну напругу, яка накопичується у процесі деформації. У цій роботі вчені створили полімер PPG-MPU з пропіленгліколю, фенілізоцианату та фенілсечовини, що мають високий рівень молекулярного зв'язування і нижчу за інші температуру переходу — 50 градусів Цельсію. Всі компоненти є продуктом поліуретанової промисловості, тож мають низьку вартість. Першопочатково, тобто до деформації, такий полімер набуває аморфної структури, однак варто натягнути його, як ланцюжки вирівнюються та утворюють великі впорядковані наноструктури, що збільшують кількість накопиченої енергії. Крім того, вони пам'ятають початкову форму, а отже здатні повністю до неї повернутися зі зникненням стимулу. PPG-MPU розтягується більш як на 300 відсотків, а завдяки розривам зв'язків може витримувати навантаження до 270 мегапаскалів. Крім того, завдяки низькій щільності, PPG-MPU здатний накопичити енергії приблизно у 460 разів більше скелетних м'язів — 17,9 джоуля на грам.

Christopher B. Cooper et al. / ACS Central Science, 2021

Christopher B. Cooper et al. / ACS Central Science, 2021

Що змусили тягати полімер?

Головною метою роботи було все ж пристосувати матеріал до виконання корисної механічної роботи, тож його почепили до руки манекена, монетки і гайкового ключа, та почали гріти феном. Так з'ясувалося, що стрічка з PPG-MPU здатна підняти майже у п'ять тисяч разів важчий за себе четвертак (1 міліграм проти 5,6 грама) на чотири сантиметри. Або ж гайковий ключ вагою у 70 грамів на п'ять сантиметрів. Для цього стрічку потрібно попередньо деформувати, щоб так накопичила енергію — достатньо просто скрутити. Так само вона покерувала рукою дерев'яного манекена, але під дією температури: при нагріванні 3,8 грама полімеру скорочуються та згинають 600 грамову руку у лікті. У майбутньому дослідники планують подібно запрограмувати свій матеріал за допомогою 3D-друку та дати йому виконати більш складні завдання.

Christopher B. Cooper et al. / ACS Central Science, 2021

Christopher B. Cooper et al. / ACS Central Science, 2021