Onderzoekers hebben een mechanisme geïdentificeerd dat vormgeheugenverschijnselen veroorzaakt in organische kristallen die worden gebruikt in plastic elektronica. Vormverschuivende structurele materialen zijn gemaakt met metaallegeringen, maar de nieuwe generatie voordelige afdrukbare plastic elektronica staat klaar om te profiteren van dit fenomeen, te. Vormgeheugen materiaalwetenschap en plastic elektronica technologie, wanneer samengevoegd, zou de deur kunnen openen naar vooruitgang in elektronica met laag vermogen, medische elektronische apparaten en multifunctionele materialen met vormgeheugen.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie en bevestig het vormgeheugenfenomeen in twee organische halfgeleidermaterialen.

Apparaten zoals de uitzetbare stents die verstopte menselijke bloedvaten openen en deblokkeren, gebruiken vormgeheugentechnologie. Warmte, licht en elektrische signalen, of mechanische krachten geven informatie door de apparaten die hen vertellen om uit te breiden, contract, buigen en veranderen in hun oorspronkelijke vorm - en dit herhaaldelijk kunnen doen, als een slang die zich vernauwt om zijn avondeten door te slikken. Dit effect werkt goed bij metalen, maar blijft ongrijpbaar in synthetische organische materialen vanwege de complexiteit van de moleculen die worden gebruikt om ze te maken.

"Het vormgeheugenfenomeen komt veel voor in de natuur, maar we zijn niet echt zeker van de ontwerpregels van de natuur op moleculair niveau, " zei hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en co-auteur van de studie, Ying Diao. "De natuur gebruikt organische verbindingen die heel anders zijn dan de metaallegeringen die worden gebruikt in materialen met vormgeheugen die tegenwoordig op de markt zijn, " zei Diao. "In natuurlijk voorkomende materialen met vormgeheugen, de moleculen transformeren coöperatief, wat betekent dat ze allemaal samen bewegen tijdens vormverandering. Anders, deze materialen zouden versplinteren en de vormverandering zou niet omkeerbaar en ultrasnel zijn."

De ontdekking van het vormgeheugenmechanisme in synthetisch organisch materiaal was heel toevallig, zei Diao. Het team creëerde per ongeluk grote organische kristallen en was benieuwd hoe ze zouden transformeren bij warmte.

"We hebben de enkele kristallen onder een microscoop bekeken en ontdekten dat het transformatieproces dramatisch anders is dan we hadden verwacht, "Zei afgestudeerde student en co-auteur Hyunjoong Chung. "We zagen een gecoördineerde beweging van een hele laag moleculen die door het kristal vegen die het vormgeheugeneffect lijken aan te sturen - iets dat zelden wordt waargenomen in organische kristallen en daarom grotendeels onontgonnen is. "

Deze onverwachte observatie leidde ertoe dat het team de fusie tussen vormgeheugenmateriaalwetenschap en het gebied van organische elektronica wilde onderzoeken, aldus de onderzoekers. "De elektronica van vandaag is afhankelijk van transistors om in en uit te schakelen, wat een zeer energie-intensief proces is, Diao zei. "Als we het vormgeheugeneffect in plastic halfgeleiders kunnen gebruiken om elektronische eigenschappen op een coöperatieve manier te moduleren, het zou een zeer lage energie-input vereisen, mogelijk bijdragen aan de vooruitgang in energiezuinige en efficiëntere elektronica."

Het team gebruikt momenteel warmte om het vormgeheugeneffect aan te tonen, maar experimenteren met lichtgolven, elektrische velden en mechanische kracht voor toekomstige demonstraties. Ze onderzoeken ook de moleculaire oorsprong van het vormgeheugenmechanisme door de moleculaire structuur van hun materialen aan te passen. "We hebben al ontdekt dat het veranderen van slechts één atoom in een molecuul het fenomeen aanzienlijk kan veranderen, ' zei Chung.

De onderzoekers zijn erg enthousiast over het moleculaire coöperatieve aspect dat met dit onderzoek is ontdekt en de mogelijke toepassing ervan op het recente Nobelprijswinnende concept van moleculaire machines, zei Diao. "Deze moleculen kunnen samen op moleculair niveau van conformatie veranderen, en de kleine verandering in de moleculaire structuur wordt versterkt over miljoenen moleculen om grote bewegingen op macroscopische schaal teweeg te brengen."