När den sträcks eller deformeras, formminnespolymerer återgår till sina ursprungliga former efter att värme eller ljus applicerats. Dessa material visar mycket lovande för mjuk robotik, smarta biomedicinska enheter och utplacerbara rymdstrukturer, men tills nu har de inte kunnat lagra tillräckligt med energi. Nu, forskare som rapporterar in ACS Central Science har utvecklat en formminnespolymer som lagrar nästan sex gånger mer energi än tidigare versioner.

Formminnespolymerer växlar mellan ett original, odeformerat tillstånd och en sekundär, deformerat tillstånd. Det deformerade tillståndet skapas genom att polymeren sträcks och hålls på plats av molekylära förändringar, såsom dynamiska bindningsnätverk eller töjningsinducerad kristallisation, som vänds med värme eller ljus. Polymeren återgår sedan till sitt ursprungliga tillstånd genom frisättning av lagrad entropisk energi. Men det har varit utmanande för forskare att få dessa polymerer att utföra energikrävande uppgifter. Zhenan Bao och kollegor ville utveckla en ny typ av formminnespolymer som sträcker sig in i en stabil, mycket långsträckt tillstånd, gör att den kan frigöra stora mängder energi när den återgår till sitt ursprungliga tillstånd.

Forskarna inkorporerade 4-, 4'-metylenbisfenylkarbamidenheter till en poly(propylenglykol)-polymerryggrad. I polymerens ursprungliga tillstånd, polymerkedjor var trassliga och oordnade. Stretching fick kedjorna att rikta in sig och bilda vätebindningar mellan ureagrupper, skapa supermolekylära strukturer som stabiliserade det mycket långsträckta tillståndet. Uppvärmning fick bindningarna att bryta och polymeren att dra ihop sig till dess ursprungliga, oordnat tillstånd.

I tester, polymeren kunde sträckas upp till fem gånger sin ursprungliga längd och lagra upp till 17,9 J/g energi – nästan sex gånger mer energi än tidigare formminnespolymerer. Teamet visade att det sträckta materialet kunde använda denna energi för att lyfta föremål 5, 000 gånger sin egen vikt vid uppvärmning. De gjorde också en konstgjord muskel genom att fästa den försträckta polymeren på över- och underarmen på en trädocka. Vid uppvärmning, det kontrakterade materialet, vilket får dockan att böja armen vid armbågen. Förutom sin rekordhöga energitäthet, formminnespolymeren är också billig (råvaror kostar cirka $11 per lb) och lätt att göra, säger forskarna.