Herconfigureerbare materialen kunnen geweldige dingen doen. Platte lakens veranderen in een gezicht. Een geëxtrudeerde kubus verandert in tientallen verschillende vormen. Maar er is één ding dat een herconfigureerbaar materiaal nog moet kunnen veranderen:de onderliggende topologie. Een herconfigureerbaar materiaal met 100 cellen heeft altijd 100 cellen, zelfs als die cellen worden uitgerekt of platgedrukt.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een methode ontwikkeld om de fundamentele topologie van een celmateriaal op microschaal te veranderen. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur .

"Het creëren van cellulaire structuren die in staat zijn hun topologie dynamisch te veranderen, zal nieuwe kansen bieden bij het ontwikkelen van actieve materialen met informatieversleuteling, selectieve deeltjesvangst, evenals afstembare mechanische, chemische en akoestische eigenschappen, " zei Joanna Aizenberg, de Amy Smith Berylson Professor of Materials Science bij SEAS en Professor of Chemistry &Chemical Biology en senior auteur van het artikel.

De onderzoekers gebruikten dezelfde fysica die ons haar samenklontert als het nat wordt - capillaire kracht. Capillaire kracht werkt goed op zachte, conform materiaal, zoals ons haar, maar worstelt met stijve celstructuren die moeten worden gebogen, rekken of vouwen van muren, vooral rond sterke, verbonden knooppunten. Capillaire kracht is ook tijdelijk, met materialen die de neiging hebben om na het drogen terug te keren naar hun oorspronkelijke configuratie.

Om een ​​langdurige maar omkeerbare methode te ontwikkelen om de topologie van stijve cellulaire microstructuren te transformeren, de onderzoekers ontwikkelden een dynamische strategie met twee niveaus. Ze begonnen met een stijve, polymere cellulaire microstructuur met een driehoekige roostertopologie, en blootgesteld aan druppeltjes van een vluchtig oplosmiddel gekozen om het polymeer op moleculaire schaal te laten zwellen en zachter te maken. Dit maakte het materiaal tijdelijk flexibeler en in deze flexibele toestand, de capillaire krachten die door de verdampende vloeistof werden uitgeoefend, trokken de randen van de driehoeken naar elkaar toe, hun verbindingen met elkaar veranderen en ze transformeren in zeshoeken. Vervolgens, omdat het oplosmiddel snel verdampt, het materiaal droogde en zat opgesloten in zijn nieuwe configuratie, zijn stijfheid terugkrijgt. Het hele proces duurde een kwestie van seconden.

"Als je aan toepassingen denkt, het is echt belangrijk om de mechanische eigenschappen van een materiaal niet te verliezen na het transformatieproces, " zei Shucong Li, een afgestudeerde student in het Aizenberg Lab en co-eerste auteur van het papier. "Hier, we hebben laten zien dat we kunnen beginnen met een stijf materiaal en eindigen met een stijf materiaal door het tijdelijk te verzachten in de herconfiguratiefase."

De nieuwe topologie van het materiaal is zo duurzaam dat het bestand is tegen hitte of dagenlang in sommige vloeistoffen kan worden ondergedompeld zonder te demonteren. De robuustheid ervan vormde eigenlijk een probleem voor de onderzoekers die hadden gehoopt de transformatie omkeerbaar te maken.

Om terug te keren naar de oorspronkelijke topologie, de onderzoekers ontwikkelden een techniek die twee vloeistoffen combineert. De eerste zwelt tijdelijk het rooster op, die de aangehechte wanden van de zeshoeken uit elkaar haalt en het rooster in staat stelt terug te keren naar zijn oorspronkelijke driehoekige structuur. De seconde, minder vluchtige vloeistof vertraagt ​​het ontstaan ​​van capillaire krachten totdat de eerste vloeistof is verdampt en het materiaal zijn stijfheid heeft herwonnen. Op deze manier, de constructies kunnen herhaaldelijk worden gemonteerd en gedemonteerd en worden opgesloten in elke tussenconfiguratie.

"Om onze benadering uit te breiden tot willekeurige roosters, het was belangrijk om een ​​gegeneraliseerd theoretisch model te ontwikkelen dat cellulaire geometrieën verbindt, materiaalstijfheid en capillaire krachten, " zei Bolei Deng, co-eerste auteur van de paper en afgestudeerde student in het lab van Katia Bertoldi, de William en Ami Kuan Danoff hoogleraar toegepaste mechanica aan SEAS.

Geleid door dit model, de onderzoekers demonstreerden geprogrammeerde omkeerbare topologische transformaties van verschillende roostergeometrieën en responsieve materialen, inclusief het veranderen van een rooster van cirkels in vierkanten.

De onderzoekers onderzochten verschillende toepassingen voor het onderzoek. Bijvoorbeeld, het team codeerde patronen en ontwerpen in het materiaal door kleine, onzichtbare aanpassingen aan de geometrie van het driehoekige rooster.

"Je kunt je voorstellen dat dit in de toekomst wordt gebruikt voor informatieversleuteling, omdat je het patroon in het materiaal niet kunt zien als het in ongemonteerde staat is, " zei Li.

De onderzoekers toonden ook een zeer lokale transformatie aan, montage en demontage van delen van het rooster met een kleine druppel vloeistof. Deze methode kan worden gebruikt om de wrijvings- en bevochtigingseigenschappen van een materiaal af te stemmen, de akoestische eigenschappen en mechanische veerkracht veranderen, en zelfs deeltjes en gasbellen opvangen.

"Onze strategie kan worden toegepast op een reeks toepassingen, zei Bertoldi, die ook co-auteur van het artikel is. "We kunnen deze methode toepassen op verschillende materialen, inclusief responsieve materialen, verschillende geometrieën en verschillende schalen, zelfs de nanoschaal waar topologie een sleutelrol speelt bij het ontwerpen van afstembare fotonische meta-oppervlakken. De ontwerpruimte hiervoor is enorm."