Nyt materiale kan både huske og glemme

Nyt materiale kan både huske og glemme

Kinesiske forskere står bag en polymer, der både kan genskabe sin tidligere form og undergå permanente forandringer. Det kan anvendes inden for fleksibel elektronik og medikoteknik.

Shape memory polymerer (SMP) er materialer, der kan deformeres og vende tilbage til deres oprindelige form via en ydre påvirkning – typisk med opvarmning.

En kinesisk forskningsgruppe fra Zhejiang Universitet i Hangzhou har nu udviklet et materiale, der ikke har en perfekt hukommelse, som det er tilfældet for traditionelle SMP’er, men som både kan påføres permanente forandringer, fra hvilke det ikke kan vende tilbage til sin tidligere form, og midlertidige forandringer. Det har altså en form for selektiv hukommelse.

Tao Xie beskriver i det videnskabelige internettidsskrift Science Advances, hvordan det er lykkedes hans forskergruppe at opnå dette ved at designe et materiale med distinkte elastiske og plastiske forandringer, der indtræder ved forskellige temperaturer.

Ved lave temperaturpåvirkninger er materialet elastisk og kan efter en deformation huske og bringes tilbage til sin oprindelige form. Ved højere temperaturpåvirkninger kan polymeren låses fast i en ny struktur – hvorfra det så igen kan skifte frem og tilbage til nye former via de elastiske egenskaber – men ikke vende tilbage til formen før den plastiske deformation.

Dette materiale har en oprindelig størrelse på ca. 2,5 x 1 cm. Ved at udnytte de plastiske egenskaber kan man præge og strække materialet til nye former. Fra hver af disse former er det muligt via elastiske egenskaber at skabe midlertidige former, hvorfra materialet af sig selv under opvarmning vender tilbage til den plastiske form i udgangspunktet. Det unikke ved materialet er, at de plastiske forandringer eksempelvis i form af prægning ikke forsvinder ved nye plastiske forandringer. Disse kumulative egenskaber finder man ikke i traditionelle shape memory polymerer. Ved at præge, strække og til sidst sammenrulle materialet kan man dermed opnå et rør med prægning på indersiden, som vil være meget vanskeligt at fremstille med en konventionel teknik.

Tao Xie forestiller sig, at materialet vil være interessant inden for medikoteknik og fleksibel elektronik. Han forklarer til Science, at man kan forestille sig en elektronisk avis, der folder sig ud ved varmen i hænderne, og som folder sig selv sammen, når man har læst den.

Andre forestiller sig rekonfigurerbare antenner eller produkter med former, der vanskeligt kan fremstilles i smelteforme, som værende interessante anvendelser.

En fordel ved polymermaterialet er, at det er let at fremstille.

Elasticitet og plasticitet

Shape memory polymerer har været kendte siden midten af 1980’erne, men det var først, da polyurethan-­baserede SMP’er blev udviklet nogle år senere, at der kom større interesse for disse materialer.

Metallegeringer med hukommelse i form af Shape Memory Alloys (SMA) var kendt længe inden da. Selv om SMA og SMP begge kan deformeres og vende tilbage til den oprindelige form ved opvarmning, er både egenskaberne og teorien for disse forskellig.

SMP’er er karakteriseret ved, at der sker stor ændring i de elastiske egenskaber beskrevet ved Youngs modul (elasticitetsmodulet) ved en bestemt temperatur T1.

Over denne temperatur kan man let deformere materialet, og opretholder man deformationskræfterne, mens materialet afkøles til under T1, vil deformationerne fryses fast. De kan så udløses igen ved en opvarmning til over T1.

Ved en plastisk deformation ændrer man permanent krydsbindingerne mellem polymerkæderne.

Disse forandringer indtræder mere gradvist og ikke ved en specifik temperatur, men man kan definere en temperatur T2, hvor ændringerne bliver synlige og mærkbare.

Skal man have et materiale, som man både kan forandre permanent og efterfølgende midlertidigt, og skal man kunne styre disse processer, skal der være en klar forskel mellem T1 og T2.

I artiklen i Science Advances forklarer forskerne, at mange års forskning har givet stor erfaring i, hvordan man tuner T1 over et stort område. De har derfor fokuseret på at finde et materiale, hvor T1 og T2 er væsentligt forskellige. Det er her, forskningen har været nyskabende, og hvor der også ligger muligheder i at forbedre teknikken i fremtiden.

Her er opskriften

Polycaprolactone (PCL) er med til at give det nye materiale dets elastiske Egenskaber. Det består af kæder med formlen C6H10O2. Ud fra dette grundmateriale synteseres PCL-diacrylat (PCLDA) med næsten tilsvarende kædestruktur. Det er det andet hovedelement i det nye materiale.

Udgangspunktet er polycaprolactone (PCL), hvorfra man syntetiserer PCL-diacrylat (PCLDA), som kort kan beskrives som to PCL-kæder sat sammen hoved mod hoved.

Pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionat) med formlen C17H28O8S4 indeholder en krydsbinding mellem to kæder og er en hoveddel af det nye materiale. Krydsbindinger giver materialet dets plastiske egenskaber.

PCL har et smeltepunkt på 55 grader C, som er T1 for det nye materiale, der ud over PCLDA også indeholder en polymer med en krydsbinding mellem to polymerkæder. Her benytter forskerne pentaerythritol tetrakis(3-mercaptopropionat) med den kemiske formel C17H28O8S4.

Desuden indeholder materialet 2 vægtprocent af den organiske base TBD (C7H13N3), som er afgørende for at katalysere den kemiske proces transestificering, der giver permanente forandringer i krydsbindingerne, som er uforandrede under den elastiske deformation.

Materialet produceres på simpel vis ved, at det hele opløses i dimethylformamid (DMF) sammen med en fotoinitator for UV-lys. Efter nogle få minutters omrøring hældes det i en form og belyses med UV-lys i fem minutter. Den færdige film tørres ved 100 grader celsius i løbet af en nat.

Plastiske forandringer opnås ved at bearbejde filmen under opvarmning til 130 grader celsius og derefter afkøle langsomt. De reversible elastiske deformationer frembringes ved 80 grader celsius.

For at demonstrere effekten har forskerne lavet små figurer inspireret af japansk origami eller kirigami, hvor man ud over at folde også må skære. De har eksempelvis med plastisk deformation af et kvadratisk stykke film lavet en lille båd og via elastisk deformation forandret denne til en fugl, som det fremgår af nedenstående video, og efterfølgende til en båd igen:

Kommentarer (0)