Forskare kodade in mönster och mönster i materialet genom att göra små, osynliga justeringar av det triangulära gittrets geometri. Kredit:Shucong Li/Bolei Deng/Harvard SEAS
Omkonfigurerbara material kan göra fantastiska saker. Platta lakan förvandlas till ett ansikte. En extruderad kub förvandlas till dussintals olika former. Men det finns en sak som ett omkonfigurerbart material ännu inte har kunnat ändra:dess underliggande topologi. Ett omkonfigurerbart material med 100 celler kommer alltid att ha 100 celler, även om dessa celler sträcks ut eller kläms.
Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en metod för att förändra ett cellulärt materials grundläggande topologi i mikroskala. Forskningen är publicerad i Natur .
"Att skapa cellulära strukturer som kan dynamiskt förändra sin topologi kommer att öppna nya möjligheter för att utveckla aktivt material med informationskryptering, selektiv partikelfångning, samt avstämbara mekaniska, kemiska och akustiska egenskaper, sa Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap vid SEAS och professor i kemi och kemisk biologi och senior författare till artikeln.
Forskarna utnyttjade samma fysik som klumpar ihop vårt hår när det blir blött - kapillärkraft. Kapillärkraft fungerar bra på mjuka, kompatibelt material, som vårt hår, men kämpar med stela cellulära strukturer som kräver böjning, töjning eller vikning av väggar, speciellt runt starka, anslutna noder. Kapillärkraften är också tillfällig, med material som tenderar att återgå till sin ursprungliga konfiguration efter torkning.
För att utveckla en långvarig men reversibel metod för att transformera topologin hos stela cellulära mikrostrukturer, forskarna utvecklade en dynamisk strategi i två nivåer. De började med en stel, polymer cellulär mikrostruktur med en triangulär gittertopologi, och exponerade den för droppar av ett flyktigt lösningsmedel som valts för att svälla och mjuka upp polymeren i molekylär skala. Detta gjorde materialet tillfälligt mer flexibelt och i detta flexibla tillstånd, de kapillärkrafter som påfördes av den förångande vätskan drog ihop kanterna på trianglarna, ändra sina förbindelser med varandra och omvandla dem till hexagoner. Sedan, när lösningsmedlet snabbt avdunstat, materialet torkade och fångades i sin nya konfiguration, återfår sin styvhet. Hela processen tog några sekunder.
Video av demonteringen av mikrostrukturerna. Den första sväller tillfälligt gallret, som drar isär de vidhäftade väggarna. Den andra, mindre flyktig vätska fördröjer uppkomsten av kapillärkrafter tills den första vätskan har avdunstat och materialet har återfått sin styvhet. Kredit:Shucong Li/Bolei Deng/Harvard SEAS
"När du tänker på applikationer, det är verkligen viktigt att inte förlora ett materials mekaniska egenskaper efter omvandlingsprocessen, sa Shucong Li, en doktorand i Aizenberg Lab och medförfattare till uppsatsen. "Här, Vi visade att vi kan börja med ett styvt material och sluta med ett styvt material genom processen att tillfälligt mjukgöra det vid omkonfigureringsstadiet."
Materialets nya topologi är så tålig att den tål värme eller kan sänkas ner i vissa vätskor i dagar utan att demonteras. Dess robusthet utgjorde faktiskt ett problem för forskarna som hade hoppats kunna göra omvandlingen reversibel.
För att återgå till den ursprungliga topologin, forskarna utvecklade en teknik som kombinerar två vätskor. Den första sväller tillfälligt gallret, som drar isär de vidhäftade väggarna på hexagonerna och låter gallret återgå till sin ursprungliga triangulära struktur. Den andra, mindre flyktig vätska fördröjer uppkomsten av kapillärkrafter tills den första vätskan har avdunstat och materialet har återfått sin styvhet. På det här sättet, strukturerna kan monteras och demonteras upprepade gånger och fångas i vilken konfiguration som helst däremellan.
"För att utöka vår inställning till godtyckliga galler, det var viktigt att utveckla en generaliserad teoretisk modell som kopplar samman cellulära geometrier, materialstyvhet och kapillärkrafter, sa Bolei Deng, medförsta författare till uppsatsen och doktorand i Katia Bertoldis labb, William och Ami Kuan Danoff professor i tillämpad mekanik vid SEAS.
Guidad av denna modell, forskarna visade programmerade reversibla topologiska transformationer av olika gittergeometrier och responsiva material, inklusive att förvandla ett gitter av cirklar till fyrkanter.
Video av monteringen av mikrostrukturerna. Triangelgittret utsätts för en vätska som sväller och mjukar upp polymeren. I detta flexibla tillstånd, de kapillärkrafter som påfördes av den förångande vätskan drog ihop kanterna på trianglarna, ändra sina förbindelser med varandra och omvandla dem till hexagoner. Kredit:Shucong Li/Bolei Deng/Harvard SEAS
Forskarna utforskade olika tillämpningar för studien. Till exempel, teamet kodade in mönster och mönster i materialet genom att göra små, osynliga justeringar av det triangulära gittrets geometri.
"Du kan föreställa dig att detta kommer att användas för informationskryptering i framtiden, eftersom du inte kan se mönstret i materialet när det är i sitt omonterade tillstånd, " sa Li.
Forskarna visade också mycket lokal transformation, montera och demontera områden av gittret med en liten droppe vätska. Denna metod kan användas för att justera friktions- och vätningsegenskaperna hos ett material, ändra dess akustiska egenskaper och mekaniska motståndskraft, och till och med fånga upp partiklar och gasbubblor.
"Vår strategi skulle kunna tillämpas på en rad applikationer, sa Bertoldi, som också är medförfattare till tidningen. "Vi kan tillämpa den här metoden på olika material, inklusive responsivt material, olika geometrier och olika skalor, även nanoskalan där topologi spelar en nyckelroll vid design av avstämbara fotoniska meta-ytor. Designutrymmet för detta är enormt."
