Vaste stof bevat meestal een enkele, stabiele vaste toestand voor een specifieke reeks voorwaarden. Materiaalwetenschappers voorzien dat nieuwe materialen met verwisselbare vaste toestanden voordelig zullen zijn voor diverse technische toepassingen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Natuurmaterialen , Fut (Kuo) Yang en collega's van de interdisciplinaire afdelingen Chemische Technologie, Bioengineering en biotechnologie in Canada en China beschreven de ontwikkeling van een twee-in-een hybride materiaal.

Ze hebben het materiaal samengesteld met een polymeer geïmpregneerd met een onderkoelde zoutoplossing die bekend staat als 'sal-gel'. Het materiaal nam twee verschillende maar stabiele en omkeerbare vaste toestanden aan onder variërende temperaturen (-90 ° C tot 58 ° C) en drukken. Toen de wetenschappers kiemvorming stimuleerden, het materiaal verschoof van een heldere, zachte vaste stof tot een witte harde staat die 10 . was ⁴ keer stijver dan het origineel (15 kPa vs. 385 MPa). Ze keerden de harde vaste stof terug naar zachte consistentie via tijdelijke verwarming om de omkeerbaarheid van de overgang aan te tonen. De studie onderzocht het concept van robuuste fysieke metastabiliteit van een vloeibare toestand en Yang et al. breidde het werk uit tot suikeralcoholen om stimuli-responsieve en niet-verdampende "suggel" te vormen. Dergelijke twee-in-een hybride materialen zullen nuttig zijn in zachte robotica en lijmtoepassingen.

Stijfheidsveranderende materialen bieden een oplossing voor het ontwikkelen van paradoxale vormaanpasbaarheid en draagvermogen die belangrijk zijn voor een verscheidenheid aan technische gebieden, waaronder zachte robotica, adhesie/lijmen en luchtvaart. Het in stand houden van de mechanische respons van dergelijke slimme materialen is, echter, beperkt door de behoefte aan een externe stimulus. Een oplossing om twee-in-een vaste stoffen te creëren, is het onderzoeken van de mechanische of structurele metastabiliteit van dergelijke materialen. Dit wordt waargenomen met origami- of kirigami-geïnspireerde metamaterialen die hun stijfheid kunnen transformeren via veranderingen in topologische toestanden.

Om dubbele stabiele toestanden te verkrijgen, het onderliggende mechanisme moet een energiebarrière vormen tussen de twee, waar elke toestand rustte op een energetisch minimum. Bijvoorbeeld, vloeibare kristallisatie kan aan deze eis voldoen wanneer de vloeistof aanvankelijk de vorming van een voldoende grote cluster van kristallijne atomen of moleculen vereiste. De vrije energiewinst van het transformeren van de kristallijne fase moet dan de vrije energiekosten van het creëren van een interface tussen de vloeistof en het kristal overwinnen. Wetenschappers zouden de energiebarrière tussen de interfaces kunnen overwinnen door zelfassemblage te induceren via secundaire nucleatie (vorming van nieuwe kristallen uit bestaande kristallen) voor vloeistof-naar-kristallijne transformaties en met warmte voor kristallijne-naar-vloeistoftransformatie. Het proces is relatief moeilijker voor fasetransformaties met zuivere vaste stoffen waarvan de kristallijne en niet-kristallijne fasen beide vaste stoffen zijn.

Als voorbeeldmateriaal, natriumacetaattrihydraat is een faseveranderend materiaal (PCM) dat algemeen bekend staat als 'heet ijs, " omdat het tijdens het vriezen warmte afgeeft met het bekende vermogen om te onderkoelen. Hoewel de vaste stof een smeltpunt heeft van 58 graden C, het kan jarenlang stabiel blijven als onderkoelde vloeistof bij kamertemperatuur, met toepassing in seizoensgebonden energieopslag. Yang et al. verschafte het vaste natriumacetaattrihydraat een extra vaste vorm door een compatibel polymeernetwerk te gebruiken om een ​​bedrukbaar en lichtgewicht hybride materiaal te produceren dat bekend staat als sal-gel. Het materiaal kan zijn effectieve stijfheid verwisselbaar veranderen zonder externe stimulatie, waardoor de wetenschappers de faseovergang en metastabiliteit van het zout volledig kunnen benutten.

Het hybride materiaal veranderde bij het smelten in een rubberachtige vorm voor on-demand vormbevestiging met een verandering in stijfheid van meer dan 10 ⁴ keer. Deze eigenschap is zeer wenselijk voor "twee-in-één" vaste stoffen in vergelijking met eerder ontwikkelde materialen die de stijfheid veranderen. Het nieuwe materiaal is relevant voor de steeds groter wordende prestatie om de prestatiedichtheid van multifunctionele materialen te verkleinen en te verhogen.

De wetenschappers maakten sal-gel door gesmolten natriumacetaattrihydraat te mengen met polymere voorlopers van poly(acrylzuur) en een vloeibaar mengsel van azijnzuur met water. Het resulterende gelmengsel bleef transparant, suggereert dat de bestanddelen met elkaar mengbaar zijn. De resulterende gel had twee vaste toestanden; een transparante zachte staat en een ondoorzichtige stijve staat die vervorming weerstond. De wetenschappers transformeerden de sal-gel van zijn zachte toestand naar de stijve toestand via secundaire kiemvorming door de aanraking van natriumacetaattrihydraat-zaadkristallen. Bij contact met een zaadkristal, nucleatie vond onmiddellijk plaats om kristallisatie te laten plaatsvinden vanaf het contactpunt over het gehele materiaal.

Om de initiatie experimenteel uit te voeren, Yang et al. gebruikte een houten stok met een kleine hoeveelheid fijn kristalstof aan de punt. Aangezien het fenomeen afkomstig is van het monsteroppervlak, ze namen een tweeledige oorzaak aan; waar eerst, de kosten van vrije energie voor kiemvorming sterk verlaagd aan het oppervlak van de gel als gevolg van verminderde oppervlakte. Daarna, op contact, het oppervlak ervoer een enorme hoeveelheid kinetische energie. Zolang de gel gesmeerd bleef, de wetenschappers konden ongewenste kristallisatie voorkomen. Yang et al. keerde de sal-gel terug naar zijn zachte toestand door hem boven het smeltpunt te verwarmen en gebruikte deze eigenschappen om de vorm van de gel on-demand te fixeren. Ze stemden de fysieke eigenschappen van de bevroren toestand af door het polymeergehalte van de gel te manipuleren om vervorming te weerstaan ​​en terug te keren naar zijn vaste vorm bij het loslaten van de spanning.

Het onderzoeksteam testte het mechanische gedrag van de twee toestanden van het sal-gel-systeem onder vergelijkbare omgevingen met behulp van inkepingen. Ze vergeleken de gesmolten en bevroren sal-gel, waar een zichtbare plastische vervorming gevormd op de bevroren toestand, die verdween na het smelten. Met behulp van metingen Yang et al. toonde een significante verandering in stijfheid tussen de twee toestanden. Hoewel de bevroren sal-gel stijf was, het was minder bros voor inkeping zonder barsten in vergelijking met een polymeervrije bevroren zoutcontrole.

Na verdere karakterisering van het hybride materiaal, de wetenschappers toonden aan dat wanneer er meer azijnzuurvloeistof in het mengsel aanwezig was, de sal-gel werd zachter en minder elastisch. Toen ze de gel herhaaldelijk bevroor en ontdooid, ze zagen geen blijvende schade in het polymeernetwerk, hoewel het materiaal stijver werd met herhaalde vries-dooicycli.

De wetenschappers onderzochten vervolgens het kristallisatiegedrag van de sal-gel en observeerden de groeiende kristallen om het polymeernetwerk opzij te duwen zonder het netwerk te scheuren of te beschadigen. Het zouthydraat vertoonde een thermisch gedrag dat vergelijkbaar is met het bevriezen van water in hydrogels, waar de toevoeging van meer polymeer en verdunningsmiddel tot minder kristallisatie leidde. Het thermische gedrag duidde op een sterke stabiliteit van sal-gel met onderkoeling van meer dan 150 ° C.

De sal-gel vertoonde een overgangscontact van zacht naar hard, onmiddellijke en robuuste zelfhechting, mechanische energieopslag naast het vermogen om slimme constructies te vormen. Een groot voordeel van het hybride materiaal was het op zichzelf staande karakter, die gemakkelijk additieve fabricage mogelijk maakten. Als een proof-of-principle, Yang et al. fabriceerde een synthetische zeekomkommer met behulp van driedimensionale doodling door niet-verknoopte sal-gel-oplossing te leveren met behulp van een injectiespuit om de oplossing daarna in het laboratorium te verknopen met behulp van een ultraviolette lichtbron. De resulterende afdruk leek qua uiterlijk en mechanica sterk op een levende zeekomkommer, waar de dermis wisselde tussen een transparante zachte en ondoorzichtige stijve toestand.

Ze breidden het concept van sal-gel uit naar andere materialen met behulp van de suikeralcohol xylitol als het PCM (faseveranderend materiaal). Met behulp van de suikeralcohol, ze maakten een suikergel (sug-gel) gummybeer met twee-vaste toestand-gedragingen. Toen de wetenschappers het construct oververhitten tot 120 ° C om de verdamping een week te versnellen, het volume van de gummybeer veranderde niet zichtbaar en bleef nog steeds in staat tot dual-state gedrag.

Om sal-gel te vertalen naar praktische toepassingen, Yang et al. twee technische problemen met betrekking tot verdamping en gevoeligheid moet oplossen, die van invloed waren op de uitvoering van het materiaal. De problemen werden gedeeltelijk verholpen door de sal-gel te coaten met smeermiddel om de stabiliteit te optimaliseren en te vergroten, ze willen het materiaal in de toekomst verder ontwikkelen en de beperking volledig oplossen. Het onderzoeksteam verhoogde ook de flexibiliteit in ontwerp en functionaliteit in de twee-in-een solide, vergeleken met normale vaste stoffen met een enkele vaste toestand.

Op deze manier, Fut (Kuo) Yang en collega's hebben strategisch een solide raamwerk geconstrueerd in een functioneel vloeibaar - onderkoeld gesmolten zout (natriumacetaattrihydraat) door een compatibel polymeernetwerk van poly(acrylzuur) te vormen om het hybride materiaal sal-gel te creëren. Door synergetische interacties van de materialen op moleculair niveau konden Yang et al. om de vloeistofeigenschappen te benutten en de faseovergang en metastabiliteit ervan te onderzoeken.

Het hybride construct vertoonde ongebruikelijk materiaalgedrag om te schakelen tussen twee stabiele vaste toestanden met variërende mechanische eigenschappen die naast elkaar zouden kunnen bestaan ​​onder vergelijkbare omgevingsomstandigheden. De stijfheidstoestanden vereisten geen continue stimulatie, waardoor nieuwe mogelijkheden voor geavanceerde toepassingen. Terwijl het huidige werk zich concentreerde op de transformatie van onderkoelde vloeistof, Yang et al. verwacht de aanpak uit te breiden naar andere vloeistoffen met verschillende functionaliteiten om het assortiment mechanisch schakelbare materialen te diversifiëren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk