Utveckla syntetiska material som är lika dynamiska som de som finns i naturen, med reversibelt föränderliga egenskaper och som kan användas i tillverkningen, återvinning och andra tillämpningar, är ett starkt fokus för forskare.

I en världsnyhet, forskare från Queensland University of Technology (QUT), Gents universitet (UGent) och Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har banat väg för en roman, dynamisk, omprogrammerbart material - genom att använda grönt LED-ljus och, anmärkningsvärt, mörker när växlarna ändrar materialets polymerstruktur, och med endast två billiga kemiska föreningar. En av dessa föreningar, naftalen, är välkänd som en ingrediens i malavstötande medel.

Det nya dynamiska materialet skulle potentiellt kunna användas som 3D-tryckfärg för att skriva ut tillfälliga, stödställningar som är lätta att ta bort. Detta skulle övervinna en av de nuvarande begränsningarna i 3D-processen för att skriva ut frihängande strukturer.

Forskningen är en del av ett pågående internationellt samarbete mellan QUT makromolekylär kemist och Australian Research Council Laureate Fellow Professor Christopher Barner-Kowollik, Dr Hannes Houck, som nyligen avslutade sin Ph.D. över QUT, UGent och KIT, UGent professor Filip Du Prez, och KIT:s Dr Eva Blasco.

Deras resultat har publicerats i tidningen 'Light-Stabilized Dynamic Materials' i Journal of the American Chemical Society (JACS).

Nyckelord:

• Det nya materialet bildades med naftalener och kopplingsmolekylerna triazolindioner (TADs)
• Så länge grönt LED-ljus lyste på materialet förblev det stabilt och starkt
• När ljuset var släckt och materialet förvarades i mörker, nätverksstrukturens kemiska bindningar bröts upp och materialet blev mjukt och flytande
• Den svåra-till-mjuka processen kan upprepas genom att trycka på knappen, och ljuset kunde dämpas för att modulera materialets mekaniska egenskaper
• Följ med forskningen tittar på andra kemiska kombinationer som kan uppnå samma resultat

Professor Barner-Kowollik, från QUT:s naturvetenskapliga fakultet, sa att det som gör upptäckten unik är att ljus används som trigger för att stabilisera, snarare än att förstöra, kemiska bindningar – så forskarna har myntat en ny term, ljusstabiliserade dynamiska material (LSDM).

"Vi hoppas kunna introducera LSDM som en helt ny klass av material, " sa Dr Houck. "Vi diskuterade om vi skulle patentera det nya materialet, men beslutade att inte vänta och att publicera resultaten för att öka kunskapen och förståelsen av de involverade processerna."

Forskarna sa att det de har uppnått är motsatsen till vad man brukar göra inom kemi och "många trodde inte att det kunde göras".

"Vanligtvis, du använder olika våglängder av ljus eller extra värme eller starka kemikalier för att bryta upp polymermolekylkedjorna som bildar en nätverksstruktur, " sa de.

"Dock, I detta fall, vi använde grönt LED-ljus för att stabilisera nätverket. Triggern för att bryta upp nätverket, få den att kollapsa och rinna bort är faktiskt den mildaste av alla:mörker. Slå på ljuset igen och materialet återhärdar och behåller sin styrka och stabilitet.

"Detta är vad du kallar ett kemiskt system som inte är i jämvikt. Den konstanta energin från det gröna ljuset håller det kemiska systemet i denna bundna form, pressa den ur sin jämvikt. Ta bort ljuset, och systemet går tillbaka till sitt avslappnade, lägsta energitillstånd."

Professor Barner-Kowollik sa att forskarna redan hade kontaktats av 3-D-utskriftsteknikföretag som är intresserade av tillämpningen av forskningen.

3D-utskrift används inom flyg- och bilindustrin för att göra intrikata delar och detaljerade prototyper.

Dock, 3-D-utskrift av komplexa mönster med överhäng eller broar är svårt eller förbjudet eftersom 3-D-processen involverar utskrift lager på lager, och det finns inget direkt stöd för skikt i skarpt vinklade strukturer.

"Det du behöver för att 3D-skriva ut något som en bro är en stödställning, ett andra bläck som tillhandahåller ställningen under tryckning av designen, men som du senare kan ta bort när den inte längre behövs, " han sa.

"Med ett ljusstabiliserat dynamiskt bläck som används som ställning kan du 3D-skriva ut under ljus, stäng sedan av ljuset för att låta ställningsbläcket flöda bort."

Professor Du Prez och professor Barner-Kowollik sa att en annan potentiell applikation för LSDM var som ett cellbiologistudieverktyg, med biologer som använder det som ett cellytestöd kunde de förändras genom ljusmodulering utan att skada cellerna.