Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI en ETH Zürich hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat een bepaalde vorm behoudt wanneer het in een magnetisch veld wordt geplaatst. Het is een composietmateriaal dat uit twee componenten bestaat. In tegenstelling tot eerdere materialen met vormgeheugen, het bestaat uit een polymeer en ingebedde druppeltjes van een zogenaamde magnetorheologische vloeistof. Toepassingsgebieden voor dit nieuwe type composietmateriaal zijn onder meer geneeskunde, ruimtevaart, elektronica en robotica. De onderzoekers publiceren hun resultaten nu in het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde materialen .

Het lijkt op een goocheltruc:een magneet beweegt weg van een zwarte, gedraaide band en de band ontspant zonder verder effect (zie video). Wat op magie lijkt, kan worden verklaard door magnetisme. Het zwarte lint bestaat uit een composiet van twee componenten:een polymeer op siliconenbasis en kleine druppeltjes water en glycerine waarin kleine deeltjes carbonylijzer drijven. Deze laatste zorgen voor de magnetische eigenschappen van het materiaal en zijn vormgeheugen. Als het composietmateriaal met een pincet in een bepaalde vorm wordt geperst en vervolgens wordt blootgesteld aan een magnetisch veld, het behoudt zijn vorm, zelfs als het pincet is verwijderd. Pas als ook het magnetische veld wordt weggenomen, keert het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke vorm.

Tot dusver, vergelijkbare materialen bestonden uit een polymeer en ingebedde metaaldeeltjes. In plaats daarvan, onderzoekers van PSI en ETH Zürich gebruikten druppeltjes water en glycerine om de magnetische deeltjes in het polymeer te brengen. Op deze manier, ze produceerden een dispersie die vergelijkbaar was met die in melk. in melk, kleine vetdruppeltjes worden fijn gedispergeerd in een waterige oplossing. Deze zijn in wezen verantwoordelijk voor de witte kleur.

evenzo, de druppeltjes van de magnetorheologische vloeistof zijn fijn verdeeld in het nieuwe materiaal. "Aangezien de magnetisch gevoelige fase die in het polymeer is gedispergeerd, een vloeistof is, de krachten die worden gegenereerd wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, zijn veel groter dan eerder gemeld, " legt Laura Heyderman uit, hoofd van de Mesoscopic Systems Group bij PSI en een professor aan de ETH Zürich. Als een magnetisch veld op het composietmateriaal inwerkt, het verstijft. "Dit nieuwe materiaalconcept kon alleen tot stand komen door teamwork tussen groepen met expertise uit twee totaal verschillende gebieden:magnetische en zachte materialen, ’ zegt Heyderman.

Vormgeheugen door uitlijning met het magnetische veld

De onderzoekers bestudeerden het nieuwe materiaal met behulp van de Swiss Light Source SLS bij PSI, onder andere. Met de röntgentomografische beelden die met deze lichtbron zijn gemaakt, ze ontdekten dat de lengte van de druppeltjes in het polymeer toeneemt onder invloed van een magnetisch veld en dat de carbonylijzerdeeltjes in de vloeistof tenminste gedeeltelijk langs de magnetische veldlijnen uitlijnen. Deze twee factoren verhogen de stijfheid van het geteste materiaal tot 30 keer.

Het feit dat het vormgeheugen van het nieuwe materiaal wordt geactiveerd door magnetische velden biedt naast een hogere kracht nog meer voordelen. De meeste materialen met vormgeheugen reageren op temperatuurveranderingen. Bij medische toepassingen, twee problemen ontstaan ​​als gevolg. Eerst, overmatige hitte beschadigt de lichaamseigen cellen. Tweede, het is niet altijd mogelijk om een ​​gelijkmatige opwarming te garanderen van een object dat zijn vorm herinnert. Beide nadelen kunnen worden vermeden door het vormgeheugen met een magnetisch veld in te schakelen.

Mechanisch actieve materialen voor medicijnen en robotica

"Met ons nieuwe composietmateriaal, we hebben weer een belangrijke stap gezet in de vereenvoudiging van componenten in een breed scala aan toepassingen zoals medicijnen en robotica, " zegt ETH Zürich en PSI-materiaalwetenschapper Paolo Testa, eerste auteur van de studie. "Ons werk dient daarom als startpunt voor een nieuwe klasse van mechanisch actieve materialen."

Talloze toepassingen in de geneeskunde, ruimte vlucht, elektronica, en robotica zijn denkbaar voor materialen met vormgeheugen. Bijvoorbeeld, katheters die van stijfheid veranderen wanneer ze tijdens minimaal invasieve operaties door bloedvaten naar de operatieplaats worden geduwd. Bij verkenning van de ruimte, Er is vraag naar vormgeheugenmaterialen voor rover-voertuigbanden die zichzelf opblazen of weer opvouwen. Bij elektronica, zachte functionele materialen kunnen worden ingezet in flexibele stroom- of datakabels in wearables en in robots die mechanische bewegingen kunnen uitvoeren zonder motor.