Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI och ETH Zürich har utvecklat ett nytt material som behåller en given form när det sätts in i ett magnetfält. Det är ett kompositmaterial som består av två komponenter. Till skillnad från tidigare formminnesmaterial, den består av en polymer och inbäddade droppar av en så kallad magnetoreologisk vätska. Användningsområden för denna nya typ av kompositmaterial inkluderar medicin, flyg, elektronik och robotik. Forskarna publicerar nu sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Avancerade material .

Det ser ut som ett magiskt trick:en magnet rör sig bort från en svart, vridet band och bandet slappnar av utan ytterligare effekt (se video). Det som ser ut som magi kan förklaras med magnetism. Det svarta bandet består av en komposit av två komponenter:en silikonbaserad polymer och små droppar vatten och glycerin i vilka små partiklar av karbonyljärn flyter. De senare ger materialets magnetiska egenskaper och dess formminne. Om kompositmaterialet tvingas till en viss form med pincett och sedan utsätts för ett magnetfält, den behåller sin form, även när pincetten tas bort. Först när magnetfältet också tas bort återgår materialet till sin ursprungliga form.

Än så länge, jämförbara material har bestått av en polymer och inbäddade metallpartiklar. Istället, forskare vid PSI och ETH Zurich använde vattendroppar och glycerin för att föra in de magnetiska partiklarna i polymeren. På det här sättet, de producerade en dispersion liknande den som finns i mjölk. I mjölk, små fettdroppar är fint dispergerade i en vattenlösning. Dessa är i huvudsak ansvariga för den vita färgen.

Liknande, dropparna av den magnetoreologiska vätskan är finfördelade i det nya materialet. "Eftersom den magnetiskt känsliga fasen som är dispergerad i polymeren är en vätska, krafterna som genereras när ett magnetfält appliceras är mycket större än vad som tidigare rapporterats, " förklarar Laura Heyderman, chef för Mesoscopic Systems Group vid PSI och professor vid ETH Zürich. Om ett magnetfält verkar på kompositmaterialet, det stelnar. "Det här nya materialkonceptet kunde bara komma till stånd genom lagarbete mellan grupper med expertis från två helt olika områden - magnetiska och mjuka material, säger Heyderman.

Forma minnet genom inriktning med magnetfältet

Forskarna studerade det nya materialet med hjälp av den schweiziska ljuskällan SLS vid PSI, bland annat. Med de tomografiska röntgenbilderna som produceras med denna ljuskälla, de fann att längden på dropparna i polymeren ökar under påverkan av ett magnetfält och att karbonyljärnpartiklarna i vätskan riktar sig åtminstone delvis längs magnetfältslinjerna. Dessa två faktorer ökar styvheten hos det testade materialet med upp till 30 gånger.

Det faktum att det nya materialets formminne aktiveras av magnetfält ger ytterligare fördelar förutom högre kraft. De flesta formminnesmaterial reagerar på temperaturförändringar. I medicinska tillämpningar, två problem uppstår som ett resultat. Först, överdriven värme skadar kroppens egna celler. Andra, det är inte alltid möjligt att garantera enhetlig uppvärmning av ett föremål som kommer ihåg dess form. Båda nackdelarna kan undvikas genom att slå på formminnet med ett magnetfält.

Mekaniskt aktiva material för medicin och robotik

"Med vårt nya kompositmaterial, vi har tagit ytterligare ett viktigt steg mot att förenkla komponenter i ett brett spektrum av applikationer som medicin och robotik, " säger ETH Zürich och PSI materialforskare Paolo Testa, första författare till studien. "Vårt arbete fungerar därför som startpunkten för en ny klass av mekaniskt aktiva material."

Många tillämpningar inom medicin, rymdfärd, elektronik, och robotik är tänkbart för material med formminne. Till exempel, katetrar som ändrar styvhet när de trycks genom blodkärlen till operationsstället under minimalt invasiva operationer. I rymdutforskning, formminnesmaterial efterfrågas för roverfordonsdäck som pumpas upp eller fälls ihop igen av sig själva. Inom elektronik, mjuka funktionella material skulle kunna användas i flexibla kraft- eller datakablar i bärbara och i robotar som kan utföra mekaniska rörelser utan motor.