Fast material innehåller vanligtvis en enda, stabilt fast tillstånd för en specifik uppsättning förhållanden. Materialvetare tänker sig att nya material med utbytbara fasta tillstånd kommer att vara fördelaktiga för olika tekniska tillämpningar. I en ny rapport som nu publicerats den Naturmaterial , Fut (Kuo) Yang och kollegor i de tvärvetenskapliga avdelningarna för kemiteknik, Bioengineering och bioteknik i Kanada och Kina beskrev utvecklingen av ett två-i-ett hybridmaterial.

De komponerade materialet med en polymer impregnerad med en underkyld saltlösning känd som "sal-gel". Materialet antog två distinkta men stabila och reversibla fasta tillstånd under varierande temperaturer (-90 grader C till 58 grader C) och tryck. När forskarna stimulerade kärnbildning, materialet skiftade från en klar, mjukt fast material till ett vitt hårt tillstånd som var 10 ⁴ gånger styvare än originalet (15 kPa vs. 385 MPa). De vände den hårda fasta ryggen till mjuk konsistens via övergående uppvärmning för att visa övergången till övergången. Studien undersökte begreppet robust fysisk metastabilitet i ett flytande tillstånd och Yang et al. utvidgade arbetet till sockeralkoholer för att bilda stimuli-lyhörd och icke-förångande "socker-gel". Sådana två-i-ett-hybridmaterial kommer att vara användbara i mjuk robotik och limtillämpningar.

Styvhetsförändrande material erbjuder en lösning för att konstruera paradoxal formanpassningsförmåga och bärförmåga som är viktiga för en mängd olika tekniska områden, inklusive mjuk robotik, vidhäftning/lim och luftfart. Att upprätthålla den mekaniska responsen av sådana smarta material är, dock, begränsad av kravet på en extern stimulans. En lösning för att skapa två-i-ett fasta ämnen är att utforska mekanisk eller strukturell metastabilitet hos sådana material. Detta observeras med origami- eller kirigami-inspirerade metamaterial som kan förändra deras styvhet genom förändringar i topologiska tillstånd.

För att få dubbla stabila tillstånd, den underliggande mekanismen måste bilda en energibarriär mellan de två, där varje stat vilade på ett energiskt minimum. Till exempel, vätskekristallisation kan uppfylla detta krav där vätskan initialt krävde bildning av ett tillräckligt stort kluster av kristallina atomer eller molekyler. Den fria energivinsten vid transformering av den kristallina fasen måste sedan övervinna kostnaden för fri energi för att skapa ett gränssnitt mellan vätskan och kristallen. Forskare kunde övervinna energibarriären mellan gränssnitten genom att framkalla självmontering via sekundär kärnbildning (bildning av nya kristaller från befintliga kristaller) för vätske-till-kristallina transformationer och med värme för kristallin-till-vätsketransformation. Processen är jämförelsevis svårare för fasomvandlingar med rena fasta ämnen vars kristallina och icke-kristallina faser båda är fasta ämnen.

Som exempelmaterial, natriumacetattrihydrat är ett fasförändrande material (PCM) allmänt känt som 'het is, "eftersom det släpper ut värme under frysning med välkänd kapacitet till superkylning. Fast fastämnet har en smältpunkt på 58 grader C, det kan förbli stabilt som en avkyld vätska vid rumstemperatur i flera år, med tillämpning i säsongens energilagring. Yang et al. gav det fasta natriumacetattrihydratet en ytterligare fast form genom att använda ett kompatibelt polymernätverk för att producera ett tryckbart och lätt hybridmaterial som kallas sal-gel. Materialet kan utbytbart byta sin effektiva styvhet utan yttre stimulans, tillåter forskarna att fullt ut utnyttja fasövergången och metastabiliteten för saltet.

Hybridmaterialet omvandlas till en gummiliknande form vid smältning för formfixering vid behov med en förändring i styvheten större än 10 ⁴ gånger. Funktionen är mycket önskvärd för "två-i-ett" fasta ämnen jämfört med tidigare utvecklade styvhetsförändrande material. Det nya materialet är relevant för den ständigt växande prestandan för att miniatyrisera och öka prestandatätheten för multifunktionella material.

Forskarna framställde salgel genom att blanda smält natriumacetattrihydrat med polymerförmarkörer av poly (akrylsyra) och en flytande blandning av ättiksyra med vatten. Den resulterande gelblandningen förblev transparent, föreslår att beståndsdelarna är blandbara med varandra. Den resulterande gelén hade två fasta tillstånd; ett transparent mjukt tillstånd och ett ogenomskinligt styvt tillstånd som motstår deformation. Forskarna förvandlade salgelén från dess mjuka tillstånd till det styva tillståndet via sekundär kärnbildning genom beröring av natriumacetattrihydratfrökristaller. Vid kontakt med en frökristall, kärnbildning inträffade omedelbart för kristallisation att gå från kontaktpunkten över hela materialet.

För att genomföra initieringen experimentellt, Yang et al. använde en träpinne med en liten mängd fint kristallstoft vid spetsen. Eftersom fenomenet härstammar från provytan, de antog en tvåfaldig orsak; var först, den kostnadsfria energikostnaden för kärnbildning minskade kraftigt vid gelens yta på grund av minskad ytarea. Därefter, på kontakt, ytan upplevde en enorm mängd kinetisk energi. Så länge gelen förblev smord, forskarna kunde förhindra oönskad kristallisering. Yang et al. vände salgelén till dess mjuka tillstånd genom att värma den över smältpunkten och använde dessa egenskaper för att fixa gelens form vid behov. De stämde de fysiska egenskaperna hos det frusna tillståndet genom att manipulera polymerinnehållet i gelén för att motstå deformation och återgå till dess fasta form vid spänningsfrisättning.

Forskargruppen testade det mekaniska beteendet hos de två tillstånden i sal-gel-systemet under liknande miljöer med hjälp av indragning. De jämförde den smälta och frysta sal-gelen, där en synlig plastisk deformation bildades på fruset tillstånd, som försvann efter smältning. Med hjälp av mätningar Yang et al. visade en signifikant förändring i styvheten mellan de två staterna. Även om den frysta sal-gelen var stel, den var mindre spröd för indragning utan sprickbildning jämfört med en polymerfri kontroll av fryst salt.

Efter ytterligare karakterisering av hybridmaterialet, forskarna visade att när mer ättiksyravätska fanns i blandningen, sal-gelén blev mjukare och mindre elastisk. När de upprepade gånger frös och tinade gelen, de observerade inte varaktig skada i polymernätverket, även om materialet blev styvare med upprepade frys-tina cykler.

Forskarna undersökte sedan sal-gelens kristallisationsbeteende och observerade de växande kristallerna för att skjuta åt sidan polymernätverket utan att spricka eller skada nätverket. Salthydratet visade termiska beteenden som liknar vattenfrysning i hydrogeler, där tillsats av mer polymer och utspädningsmedel ledde till mindre kristallisation. Det termiska beteendet indikerade en stark stabilitet hos sal-gel med överkylning över 150 grader C.

Salgelen visade mjuk-till-hård övergångskontakt, omedelbar och robust självhäftning, mekanisk energilagring tillsammans med förmågan att bilda smarta konstruktioner. En stor fördel med hybridmaterialet var dess fristående natur, vilket lätt tillät additiv tillverkning. Som princip-bevis, Yang et al. tillverkade en syntetisk havsgurka med hjälp av tredimensionell doodling genom att leverera icke-tvärbunden sal-gellösning med en spruta för att tvärbinda lösningen i labbet med hjälp av en ultraviolett ljuskälla därefter. Det resulterande trycket liknade mycket en levande havsgurka i utseende och mekanik, där dermis växlade mellan ett transparent mjukt och ogenomskinligt styvt tillstånd.

De utökade begreppet sal-gel till andra material med sockeralkohol xylitol som PCM (fasförändrande material). Med sockeralkohol, de förberedde en sockergel (socker-gel) gummibjörn med beteenden i två fasta tillstånd. När forskarna överhettade konstruktionen till 120 grader C för att påskynda avdunstning i en vecka, gummibjörnens volym förändrades inte synligt och förblev fortfarande i stånd till beteende i två tillstånd.

För att översätta sal-gel till praktiska tillämpningar, Yang et al. bör lösa två tekniska problem i förhållande till avdunstning och känslighet, vilket påverkade genomförandet av materialet. Problemen behandlades delvis genom att belägga salgelén med smörjmedel för att optimera och öka dess stabilitet, de syftar till att vidareutveckla materialet i framtiden och helt lösa begränsningen. Forskargruppen ökade också flexibiliteten i design och funktionalitet i två-i-ett solid, jämfört med normala fasta ämnen med ett enda fast tillstånd.

På det här sättet, Fut (Kuo) Yang och medarbetare konstruerade strategiskt ett fast ramverk inuti en funktionell vätska-superkyldt smält salt (natriumacetattrihydrat) genom att bilda ett kompatibelt polymernätverk av poly (akrylsyra) för att skapa hybridmaterialet sal-gel. Synergistiska interaktioner mellan materialen på molekylär nivå tillät Yang et al. att utnyttja de flytande egenskaperna och utforska dess fasövergång och metastabilitet.

Hybridkonstruktionen visade ovanligt materialbeteende för att växla mellan två stabila fasta tillstånd med varierande mekaniska egenskaper som kan samexistera under liknande miljöförhållanden. Styvhetstillstånden krävde inte kontinuerlig stimulering, tillåter nya funktioner för avancerade applikationer. Medan det nuvarande arbetet fokuserade på transformationen av underkyld vätska, Yang et al. förvänta dig att utvidga tillvägagångssättet till andra vätskor med olika funktioner för att diversifiera utbudet av mekaniskt omkopplingsbara material.

© 2019 Science X Network