Материалы, созданные ученым-полимером Райса Рафаэлем Вердуско и его коллегами, начинаются как плоские плиты, но они трансформируются в формы, которыми можно управлять с помощью узоров, записанных в их слои.
Исследование является предметом новой статьи в журнале Soft Matter Королевского химического общества.
Исследователи написали, что материалы, которые могут изменять свою форму в зависимости от условий окружающей среды, полезны для оптики, трехмерных биологических каркасов и контролируемого инкапсулирования и высвобождения лекарств.
«Мы уже знаем, что материалы биосовместимы, стабильны и инертны, — сказал Вердуско, — поэтому у них есть большой потенциал для биологических применений."
По словам Вердуско, материалу нужно два слоя, чтобы творить чудеса. Один из них — жидкокристаллический эластомер (LCE), похожий на каучук материал из сшитых полимеров, которые выстраиваются вдоль одной оси, называемой «нематическим директором»."Другой — тонкий слой простого полистирола, помещенный либо выше, либо ниже LCE.
Без связанного с ним слоя полистирола LCE просто расширялся или сжимался вдоль своей нематической оси при нагревании. При изменении температуры LCE пытается сжиматься или расширяться, но более жесткий слой полистирола предотвращает это и вместо этого вызывает складки, изгиб или складывание всего материала.
Лаборатория обнаружила, что слои будут реагировать на тепло предсказуемым и повторяемым образом, что позволяет создавать конфигурации в материале в зависимости от ряда параметров: формы и соотношения сторон LCE, толщины и рисунка полистирола и даже температура, при которой был нанесен полистирол.
В лаборатории изготавливались спиральные, завитые и X-образные материалы, которые попеременно смыкались или вставали на четыре ножки. Размещение полистирола поверх одной половины полосы LCE и нижней части другой половины позволило получить S-образную форму. Вердуско предположил, что нет предела сложности форм, которые можно получить из материала с правильным рисунком.
Первичное направление складывания или складывания материала задавалось температурой, при которой был нанесен слой полистирола. В ходе экспериментов исследователи обнаружили, что когда слой полистирола наносился при 5-6 градусах Цельсия (около 42 градусов по Фаренгейту), материал складывался перпендикулярно нематическому директору LCE. При 50 C (122 градуса F) полистирол сморщился параллельно директору.
Морщинки микрометрового размера невооруженным глазом казались гладкими.
Однако, как и ожидалось, если бы слой полистирола был слишком толстым, он не позволил бы композитному материалу изгибаться. А если температура станет слишком высокой, полистирол превысит температуру стеклования и позволит композиту вернуться в свою плоскую форму.
Когда материал охладится до комнатной температуры и полистирол снова станет стекловидным, он будет деформироваться в противоположном направлении, но он может вернуться в свое исходное плоское состояние при комнатной температуре, если его отжигают с растворителем, дихлорметаном, который один раз расслабляет слои. более.
«Для любого приложения вы хотели бы иметь возможность изменить форму, а затем вернуться», — сказал Вердуско. "LCE обратимы, в отличие от полимеров с памятью формы, которые изменяют форму только один раз и не могут вернуться к своей исходной форме.
«Это важно для биомедицинских приложений, таких как динамические субстраты для клеточных культур или имплантируемые материалы, которые сжимаются и расширяются в ответ на раздражитель.
Это то, на что мы нацелены с помощью этих приложений."
Ведущий автор Адитья Агравал и соавтор Стейси Песек — аспиранты, а Тэ Хён Юн — студентка Райс. Соавтор Уолтера Чепмена — Уильям В. Акерс, профессор химической и биомолекулярной инженерии, Райс.
Вердуско — доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии.
Джон S. Программа премии Данна за совместные исследования, проводимая Консорциумом побережья Мексиканского залива и Фондом нефтяных исследований Американского химического общества, поддержала исследование.
Видео: http: // www.YouTube.com / watch?v = ygcsNTFdH20
