Het ontwikkelen van synthetische materialen die net zo dynamisch zijn als die in de natuur, met omkeerbaar veranderende eigenschappen en die kunnen worden gebruikt in de productie, recycling en andere toepassingen, is een sterke focus voor wetenschappers.

In een wereldprimeur, onderzoekers van de Queensland University of Technology (QUT), De Universiteit Gent (UGent) en het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hebben een pionierswerk verricht met een roman, dynamisch, herprogrammeerbaar materiaal—door gebruik te maken van groen LED-licht en, opmerkelijk, duisternis als de schakelaars om de polymeerstructuur van het materiaal te veranderen, en met slechts twee goedkope chemische verbindingen. Een van deze verbindingen, naftaleen, staat bekend als ingrediënt in mottenwerende middelen.

Het nieuwe dynamische materiaal kan mogelijk worden gebruikt als 3D-drukinkt om tijdelijke, gemakkelijk te verwijderen steunsteigers. Dit zou een van de huidige beperkingen van het 3D-proces voor het printen van vrijhangende structuren overwinnen.

Het onderzoek maakt deel uit van een voortdurende internationale samenwerking tussen QUT macromoleculaire chemicus en Australian Research Council Laureate Fellow Professor Christopher Barner-Kowollik, Dr. Hannes Houck, die onlangs zijn Ph.D. over QUT, UGent en KIT, UGent-hoogleraar Filip Du Prez, en Dr. Eva Blasco van KIT.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de paper 'Light-Stabilized Dynamic Materials' in de Tijdschrift van de American Chemical Society (JAC).

Belangrijkste punten:

• Het nieuwe materiaal is gevormd met naftaleen en de koppelingsmoleculen triazolinedionen (TAD's)
• Zolang groen LED-licht op het materiaal scheen, bleef het stabiel en sterk
• Toen het licht uit was en het materiaal in het donker werd bewaard, de chemische bindingen van de netwerkstructuur braken en het materiaal werd zacht en vloeibaar
• Het moeilijk tot zachte proces kan worden herhaald met een druk op de knop, en het licht kan worden gedimd om de mechanische eigenschappen van het materiaal te moduleren
• Vervolgonderzoek is kijken naar andere chemische combinaties die hetzelfde resultaat kunnen bereiken

Professor Barner-Kowollik, van de faculteit Wetenschap en Techniek van QUT, zei wat de ontdekking uniek maakt, is dat licht wordt gebruikt als trigger om te stabiliseren, in plaats van te vernietigen, chemische bindingen - dus hebben de onderzoekers een nieuwe term bedacht, lichtgestabiliseerde dynamische materialen (LSDM's).

"We hopen LSDM's te introduceren als een geheel nieuwe klasse materialen, " zei Dr. Houck. "We hebben gedebatteerd over het patenteren van het nieuwe materiaal, maar besloot niet te wachten en de bevindingen te publiceren om de kennis en het begrip van de betrokken processen te vergroten."

De onderzoekers zeiden dat wat ze hebben bereikt het tegenovergestelde is van wat gewoonlijk in de chemie wordt gedaan en "veel mensen dachten dat het niet kon".

"Typisch, je gebruikt verschillende golflengten van licht of extra warmte of agressieve chemicaliën om de polymeermolecuulketens te verbreken die een netwerkstructuur vormen, " ze zeiden.

"Echter, in dit geval, we gebruikten groen LED-licht om het netwerk te stabiliseren. De trigger om het netwerk te verbreken, het laten instorten en wegvloeien is eigenlijk de mildste van allemaal:duisternis. Schakel het licht weer in en het materiaal hardt weer uit en behoudt zijn sterkte en stabiliteit.

"Dit is wat je noemt een chemisch systeem dat niet in evenwicht is. De constante energie van het groene licht houdt het chemische systeem in deze gebonden vorm, uit zijn evenwicht te duwen. Neem het licht weg, en het systeem keert terug naar zijn ontspannen, laagste energietoestand."

Professor Barner-Kowollik zei dat de onderzoekers al waren benaderd door 3D-printtechnologiebedrijven die geïnteresseerd waren in de toepassing van het onderzoek.

3D-printen wordt gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie om ingewikkelde onderdelen en gedetailleerde prototypes te maken.

Echter, Het 3D printen van complexe ontwerpen met overhangen of bruggen is moeilijk of verboden terrein omdat het 3D-proces laag na laag printen omvat, en er is geen directe ondersteuning voor lagen in scherp gehoekte structuren.

"Wat je nodig hebt om zoiets als een brug in 3D te printen, is een ondersteuningssteiger, een tweede inkt die tijdens het printen van het ontwerp voor die houvast zorgt, maar die je later weer kunt verwijderen als het niet meer nodig is, " hij zei.

"Met een lichtgestabiliseerde dynamische inkt die als scaffold wordt gebruikt, kun je onder licht 3D-printen, doe dan het licht uit om de steigerinkt weg te laten vloeien."

Professor Du Prez en professor Barner-Kowollik zeiden dat een andere mogelijke toepassing voor LSDM's was als een hulpmiddel voor celbiologie, met biologen die het als ondersteuning van het celoppervlak gebruiken, kunnen ze veranderen door lichtmodulatie zonder de cellen te beschadigen.