Konstgjorda muskler gjorde betydande vinster när en bokstavlig vridning i utvecklingsmetoden avslöjade polymerfibrernas drag- eller töjbara förmågor när de vridits och lindats till en fjäderliknande geometri. På liknande sätt som de kraftfulla klättringarna hos gurkväxter, den unika geometrin ger spolen en böjningsrörelse när fibermaterial krymper - en reaktion som kan styras med värme. Nu, forskare har förbättrat dessa dragegenskaper ytterligare genom att fokusera på polymerfiberns termiska egenskaper och den molekylära struktur som bäst utnyttjar den kirala konfigurationen.

I omslagsartikeln som visas denna vecka i Tillämpad fysikbokstäver , Guoqiang Li och hans team vid Institutionen för mekanisk och industriell teknik vid Louisiana State University diskuterar hur de har utvecklat en ny fiber som ger högre draghållfasthet och utlöses - eller aktiveras - vid temperaturer över 100 grader Celsius svalare än sina föregångare.

"Vi analyserade principen bakom varför polymerfibern, genom vridning och spolning, kan bete sig så anmärkningsvärt, "sa Li, förklarar deras metodik. Enligt Li, de hittade två drivande faktorer:fiberns vridningskaraktär under aktivering och den negativa värmeutvidgningskoefficienten (NCTE). Den tvåvägsformade minnespolymer (2W-SMP) fiber Li och hans team utvecklade hanterade båda dessa faktorer.

När det gäller den vridning som driver denna kirala-på-kirala arkitektur att böja sig och dra ihop sig, Lis grupp fokuserade på denna fråga på molekylär nivå. De reversibla svaren hos 2W-SMP-polymeren som gör dem idealiska kommer från ett stabilt molekylärt nätverk av kemiska tvärbindningar. Nätverket tillhandahåller kedjor av orienterade molekyler i polymeren vars smältning och omkristallisation ger upphov till fiberns viktiga minneskarakteristika.

Den reversibla smält-/kristallisationsövergången gav också bättre termiska expansionsegenskaper jämfört med standardfibrer, där aktivering kommer från den inneboende sammandragningen av polymerkomponenterna i närvaro av värme (och avslappning när värmen avlägsnas). 2W-SMP-fibern visar termisk expansion/kontraktion en storleksordning som är högre än NCTE för sina föregångare.

Genom att ta itu med dessa två egenskaper, fibrerna Li producerade och testade i sina vridna-sedan-lindade muskelkonfigurationer visade större dragaktion, men de sänkte också temperaturen som behövs för att aktivera dessa konstgjorda muskelfibrer.

"Aktiveringstemperaturen är mycket hög i de polymerfibrer som använts tidigare, till exempel kan de gå till 160 grader C, "sa Li." För vissa applikationer, som medicinsk utrustning, [aktiveringstemperaturen är för hög. Så du måste hitta ett sätt att sänka det. "Det är precis vad gruppen gjorde, rapporterar maximala aktiveringstemperaturer på 67 C.

Den låga temperaturen är signifikant när man överväger en mängd applikationer relaterade till människokroppstemperatur utöver bara medicinsk utrustning, inklusive andningsbara textilier och självläkande material vars strukturer anpassar sig till miljöförändringar.

Li och hans team står fortfarande inför utmaningar med utförandet av fiberns specifika arbete samt effektivitet för att omvandla värmeenergi till aktivering, och ser till att ta itu med dessa frågor i framtida arbete. Ett potentiellt tillvägagångssätt kan vara att införliva ledande förstärkning i materialet med kolnanorör.

"Vår polymer är väldigt mjuk. Så genom att lägga till lite förstärkning, som kolnanorör, vi skulle ha två fördelar, "Sa Li." Den första gör det till en konduktör, det betyder att vi också kan använda elektricitet och få det att utlösa muskelbeteendet. Den andra är att kolnanoröret kommer att öka styvheten. "Större styvhet innebär bättre energilagring för fibern, vilket i sin tur ökar energiomvandlingseffektiviteten.