Kredit:CC0 Public Domain
Forskare från Tel Aviv University har för första gången upptäckt en serie fysiska egenskaper som finns i polymermikrofibernätverk, bland dem "formminne". Dessa upptäckter öppnar dörrarna till en rad tekniska och biologiska tillämpningar, från vävnadsteknik till robotik.
Studien leddes av Dr. Amit Sitt och doktoranden Shiran Ziv Sharabani från Raymond and Beverly Sackler School of Chemistry och Roman Abramovich Center for Nanoscience and Nanotechnology. Den publicerades i Advanced Functional Materials .
Dr Sitt förklarar att "I studien skapade vi tvådimensionella polymermikrofibernätverk som genomgår temperaturinducerade formförändringar. Vi upptäckte för första gången att sådana responsiva glesa nätverk uppvisar formminnesegenskaper - en särskilt häpnadsväckande egenskap som vi inte var förväntar sig med tanke på deras gleshet. Nätverken, som är sammansatta av temperaturkänsliga polymerfibrer, styrs av de fysiska egenskaperna hos varje fiber. När dessa förhållanden modifieras tenderar nätverken att uppvisa en av två beteendevägar vid kylning – i en väg, fibrerna förblir raka och nätverket bibehåller sin ordnade morfologi, och i den andra vägen böjs fibrerna och nätverket trasslar ihop sig precis som spagetti. Det fina är att båda dessa beteendebanor visar formminne, och när nätverket väl har värmts upp återgår det till sitt ursprungliga ordnad morfologi Denna princip, som demonstreras på olika typer av nätverk, erbjuder ett nytt sätt att styra förändringar i form av material; och tydligen leder till och med mindre förändringar i fibrernas struktur till en dramatisk förändring i nätverkens mikroskopiska beteende."
De tvådimensionella nätverk som utvecklades och tillverkades vid Dr. Sitts laboratorium är baserade på en polymer som kallas PNIPAAm, och tillverkas i en process som kallas "Dry Spinning". I denna process dras fibrerna ut ur den flytande polymerlösningen, under vilken de snabbt härdar och stelnar, medan snabb avdunstning av lösningsmedlet lämnar polymeren som en tunn fiber. Denna metod tillåter skapandet av fibrer med en tjocklek på en hundradels hårbredd och deras rumsliga arrangemang på ett ordnat sätt, ungefär som tredimensionell utskrift, men i mycket mindre skalor.
Dr Sitt tillägger att "ett av de huvudsakliga sätten på vilka biologiska system formar rörelser och genererar krafter är genom att utnyttja aktiva hierarkiska nätverk som består av tunna mikrofilament, som kan ändra sin form och storlek enligt yttre stimuli. Sådana nätverk existerar på encellsnivå och deltar i en rad cellulära och fysiska processer. Till exempel är musklerna i människokroppen baserade på nätverk av proteinfibrer, som drar ihop sig och slappnar av efter neural stimulering. Samtidigt som de använder en väsentligt annorlunda mekanism, våra rent syntetiska system härmar detta beteende, och vi kan nu modifiera deras svar, vilket banar vägen för att designa materialets morphingbeteende med mikroskalaupplösning."
Dr. Sitt och hans team har förklarat sina intressanta resultat med hjälp av en enkel beräkningsmodell. Doktoranden Shiran Ziv Sharabani förklarar att deras "teoretiska modell är baserad på en grundläggande förståelse av fjädersystem, som är bekanta, klassiska system. Vi kunde beskriva de två beteendebanorna som vi observerade i laboratoriet med hjälp av två parametrar av fjädersystemet , och den här modellen hjälpte oss otvetydigt att visa att ett nätverks mikroskopiska egenskaper är nära relaterade till en rad geometriska faktorer, främst fiberdiametern men också densiteten i hela nätverket."
"När det gäller tillämpningarna av polymernätverk," tillägger Dr. Sitt, "kan man sväva in i science fiction-området, men på den praktiska nivån och inom en snar framtid planerar vi att använda nätverk för att göra tyger och tredimensionella strukturer som kommer att ändra form på mikronupplösningsnivån, på ett sätt som faktiskt kommer att programmeras in i själva materialets struktur.Samtidigt arbetar vi med att använda form-morphing-nätverk för att utveckla små konstgjorda muskler som kommer att kunna ändra fokus på mjuka linser, separera nano- och mikropartiklar och manipulera små tång för att ta en biopsi av enskilda celler."
Ziv Sharabani avslutar och säger att "med hjälp av insikterna i vår forskning kan man analysera och härleda vilken verktygslåda som behövs för en sådan utveckling. Studien, som tog mer än tre år, inkluderade medverkan av prof. Eli Flaxer från Afeka Engineering Academic College i Tel Aviv, studenter, forskarstuderande och en gymnasieelev. Det råder ingen tvekan om att den kunskap som vi har skaffat oss under forskningens gång är innovativ och har riklig teknisk potential." + Utforska vidare
