Wanneer uitgerekt of vervormd, vormgeheugenpolymeren keren terug naar hun oorspronkelijke vorm nadat warmte of licht is toegepast. Deze materialen zijn veelbelovend voor zachte robotica, slimme biomedische apparaten en inzetbare ruimtestructuren, maar tot nu toe hebben ze niet genoeg energie kunnen opslaan. Nutsvoorzieningen, onderzoekers rapporteren in ACS Centrale Wetenschap hebben een vormgeheugenpolymeer ontwikkeld dat bijna zes keer meer energie opslaat dan eerdere versies.

Vormgeheugenpolymeren wisselen af ​​tussen een origineel, onvervormde staat en een secundaire, misvormde staat. De vervormde toestand wordt gecreëerd door het polymeer uit te rekken en wordt op zijn plaats gehouden door moleculaire veranderingen, zoals dynamische bindingsnetwerken of spanningsgeïnduceerde kristallisatie, die worden omgekeerd met warmte of licht. Het polymeer keert dan terug naar zijn oorspronkelijke staat door het vrijkomen van opgeslagen entropische energie. Maar het was voor wetenschappers een uitdaging om deze polymeren energie-intensieve taken te laten uitvoeren. Zhenan Bao en collega's wilden een nieuw type vormgeheugenpolymeer ontwikkelen dat zich uitstrekt tot een stabiel, zeer langgerekte staat, waardoor het grote hoeveelheden energie kan vrijgeven wanneer het terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat.

De onderzoekers namen 4-, 4'-methyleenbisfenylureumeenheden in een poly(propyleenglycol)polymeerskelet. In de oorspronkelijke staat van het polymeer, polymeerketens waren verward en ongeordend. Rekken zorgde ervoor dat de ketens op één lijn kwamen en waterstofbruggen vormden tussen ureumgroepen, het creëren van supermoleculaire structuren die de zeer langwerpige toestand stabiliseerden. Door verhitting braken de bindingen en trok het polymeer samen tot zijn oorspronkelijke, ongeordende staat.

Bij testen, het polymeer kon tot vijf keer zijn oorspronkelijke lengte worden uitgerekt en tot 17,9 J/g energie opslaan - bijna zes keer meer energie dan eerdere polymeren met vormgeheugen. Het team toonde aan dat het uitgerekte materiaal deze energie kan gebruiken om objecten op te tillen 5, 000 keer zijn eigen gewicht bij verhitting. Ze maakten ook een kunstmatige spier door het voorgerekte polymeer aan de boven- en onderarm van een houten paspop te bevestigen. Bij verhitting, het materiaal gecontracteerd, waardoor de paspop zijn arm bij de elleboog buigt. Naast de recordhoge energiedichtheid, het vormgeheugenpolymeer is ook goedkoop (grondstoffen kosten ongeveer $ 11 per lb) en gemakkelijk te maken, zeggen de onderzoekers.