Kunstmatige spieren boekten aanzienlijke winst toen een letterlijke draai in de ontwikkelingsbenadering de trek- of rekbaarheid van polymeervezels aan het licht bracht zodra ze waren gedraaid en opgerold tot een veerachtige geometrie. Op dezelfde manier als de krachtige klimranken van komkommerplanten, de unieke geometrie geeft de spoel een buigende beweging wanneer vezelmateriaal krimpt - een reactie die kan worden gecontroleerd met warmte. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben deze trekeigenschappen nog verder verbeterd door zich te concentreren op de thermische eigenschappen van de polymeervezel en de moleculaire structuur die optimaal gebruik maakt van de chirale configuratie.

In het omslagartikel dat deze week verschijnt in Technische Natuurkunde Brieven , Guoqiang Li en zijn team van de afdeling Mechanische en Industriële Techniek van de Louisiana State University bespreken hoe ze een nieuwe vezel hebben ontwikkeld die een hogere treksterkte biedt en wordt geactiveerd - of geactiveerd - bij temperaturen die meer dan 100 graden Celsius lager zijn dan zijn voorgangers.

"We hebben het principe geanalyseerd waarom de polymeervezel, door draaien en oprollen, kan zich zo opmerkelijk gedragen, " zei Li, hun methodiek toelichten. Volgens Li, ze vonden twee drijvende factoren:de losdraaiende aard van de vezel tijdens activering en de negatieve thermische uitzettingscoëfficiënt (NCTE). De tweeweg vormgeheugenpolymeer (2W-SMP) vezel die Li en zijn team hebben ontwikkeld, hebben beide factoren aangepakt.

Als het gaat om het losdraaien dat deze chiraal-op-chirale architectuur ertoe aanzet om te buigen en samen te trekken, Li's groep concentreerde zich op dit probleem op moleculair niveau. De omkeerbare reacties van het 2W-SMP-polymeer waardoor ze ideaal zijn, komen van een stabiel moleculair netwerk van chemische kruisverbindingen. Het netwerk levert ketens van georiënteerde moleculen in het polymeer, waarvan het smelten en herkristalliseren aanleiding geven tot de belangrijke geheugenkenmerken van de vezel.

De omkeerbare smelt/kristallisatie-overgang zorgde ook voor betere thermische uitzettingseigenschappen in vergelijking met standaardvezels, waarbij activering afkomstig is van de intrinsieke samentrekking van de polymeercomponenten in aanwezigheid van warmte (en ontspanning wanneer de warmte wordt verwijderd). De 2W-SMP-vezel vertoont thermische uitzetting/krimp die een orde van grootte hoger ligt dan de NCTE van zijn voorgangers.

Door deze twee kenmerken aan te pakken, de vezels die Li produceerde en testte in hun gedraaide-dan-opgerolde spierconfiguraties vertoonden een grotere trekkracht, maar ze brachten ook de temperatuur omlaag die nodig was om deze kunstmatige spiervezels te activeren.

"De activeringstemperatuur is erg hoog in de eerder gebruikte polymeervezels, ze kunnen bijvoorbeeld tot 160 graden Celsius gaan, " zei Li. "Voor sommige toepassingen, zoals medische apparaten, [de] bedieningstemperatuur is te hoog. Dus je moet een manier vinden om het te verlagen." Dat is precies wat de groep deed, maximale bedieningstemperaturen van 67 C melden.

De lage temperatuur is significant bij het overwegen van een groot aantal toepassingen met betrekking tot de menselijke lichaamstemperatuur die verder gaan dan alleen medische apparaten, inclusief ademend textiel en zelfherstellende materialen waarvan de structuren zich aanpassen aan veranderingen in de omgeving.

Li en zijn team staan ​​nog steeds voor uitdagingen met de prestaties van het specifieke werk van de vezel en de efficiëntie bij het omzetten van thermische energie in activering, en proberen deze problemen in toekomstige werkzaamheden aan te pakken. Een mogelijke benadering kan zijn om geleidende versterking in het materiaal op te nemen met koolstofnanobuisjes.

"Ons polymeer is erg zacht. Dus door wat versterking toe te voegen, zoals koolstofnanobuizen, we zouden twee voordelen hebben, " zei Li. "De eerste maakt het tot een dirigent, dat betekent dat we ook elektriciteit kunnen gebruiken en het spiergedrag kunnen laten triggeren. De andere is dat de koolstofnanobuis de stijfheid zal vergroten." Grotere stijfheid betekent betere energieopslag voor de vezel, wat op zijn beurt de efficiëntie van de energieomzetting verhoogt.