Naukowcy z Rice University stworzyli kompozyt, który pod wpływem temperatury zmienia swój kształt. Ogrzewanie materiału z pewnością go nie ożywi, ale na zaprezentowanym przez badaczy filmie sprawia on zupełnie inne wrażenie. Nowy kompozyt może znaleźć zastosowanie przy konstrukcji biorusztowań, w optyce oraz transporcie leków w organizmie.
Badacze z Rice pod kierunkiem Rafaela Verduzco stworzyli materiał składający się z dwóch warstw, każdej o zupełnie innych właściwościach. Wyniki badań zostały opublikowane 26 listopada 2013, w internetowym wydaniu czasopisma Soft Matter. Kompozyt, którego kształt zależy od temperatury i naniesionych uprzednio wzorów jest biozgodny oraz stabilny w warunkach panujących wewnątrz organizmu. Materiał reagujący na zmiany temperatury otoczenia jest niezwykle cenny z punktu widzenia bioinżynierii. Trójwymiarowe szkielety, na których może rozwijać się żywa tkanka, czy nośniki kontrolujące uwalnianie środków leczniczych to tylko niektóre z potencjalnych realizacji.
Na dwie warstwy kompozytu składają się polimery ciekłokrystaliczne (z ang. liquid crystal polymers, LCP), a konkretnie elastomery ciekłokrystaliczne (z ang. liquid crystal elastomers (LCE) oraz polistyren (PS). LCE to hybrydowe, polimerowe tworzywa sztuczne złożone z łańcuchów o niskiej gęstości usieciowania, zdolne do generowania faz ciekłokrystalicznych. Tworzywa są niezwykle niereaktywne, o dużej odporności termicznej i chemicznej. Większość polimerów ciekłokrystalicznych zawiera w swojej strukturze fazy (mezogeny) o kształcie podobnym do pręta lub dysku. Materiał zachowujący się podobnie jak guma posiada właściwości anizotropowe (zmieniające się w zależności od kierunku ich rozpatrywania). Najważniejszą zaletą polimerów ciekłokrystalicznych w porównaniu do ciekłych kryształów stosowanych w wyświetlaczach (związki niskocząsteczkowe) jest ich podwyższona odporność mechaniczna. Niestety produkcja nietłukących się wyświetlaczy, na bazie LCP nie jest obecnie możliwa, ze względu na zbyt długie czasy reakcji na zmiany pola elektrycznego. Czysty polistyren jest bezbarwnym, twardym, kruchym termoplastem, o bardzo ograniczonej elastyczności. Jako tworzywo lite stosowany jest do wytwarzania m.in. sztucznej biżuterii, szczoteczek do zębów, opakowań płyt CD, DVD oraz elementów zabawek. Jednak najbardziej przemysłową aplikacją polistyrenu jest jego produkcja w formie spienionej – styropianu.
W elastomerze ciekłokrystalicznym występują długie, sztywne cząsteczki podobne do prętów lub sztywne i płaskie cząsteczki podobne do dysków (mezogeny). To tzw. faza nematyczna, w której cząsteczki dążą do ustawienia w pewnym określonym kierunku. Kierunek ten nazywany jest direktorem nematycznym. Cząsteczki mają zablokowaną możliwość zmieniania kąta ułożenia jednej ze swoich osi względem innych, co powoduje, że układają się samorzutnie, osiami równolegle do siebie. Uporządkowanie to zazwyczaj nie jest zupełne, przez drgania termiczne molekuł.
Połączenie obu materiałów przyniosło zaskakujące wyniki. Cienka warstwa polistyrenu przytwierdzona do górnej bądź dolnej powierzchni elastomeru krystalicznego uniemożliwiała rozszerzanie i kurczenie się materiału wzdłuż osi nematycznej, podczas zmian temperatury. Zamiast tego, sztywny wzór z polistyrenu powodował marszczenie, zginanie i składanie całego kompozytu. Naukowcy zauważyli, że warstwy na skutek podgrzewania i ochładzania zachowywały się powtarzalnie i przewidywalne. Dzięki temu badacze zaprojektowali materiał w kilku konfiguracjach uzależnionych od wielu parametrów – kształtu i rozmiarów LCE, grubości i wzoru z polistyrenu oraz temperatury. Główny kierunek marszczenia i zwijania materiału był ustalony poprzez temperaturę osadzania warstwy polistyrenu. Gdy PS nakładano w temperaturze 5-6°C, kompozyt składał się prostopadle do direktora nematycznego. W temperaturze 50°C materiał zwijał się równolegle do niego. Zbyt gruba warstwa polistyrenu blokowała zmianę kształtu. Podobnie było w przypadku zbyt wysokiej temperatury otoczenia – polistyren ulegał zeszkleniu a materiał wracał do początkowego, płaskiego kształtu.
Naukowcy potwierdzają, że nowy materiał jest rozwiązaniem innym niż polimery z pamięcią kształtu, które zmieniają wygląd tylko raz, bez możliwości powrotu do pierwotnej postaci.
Źródło:
[1] Paper Shape-responsive liquid crystal elastomer bilayers. Aditya Agrawal, TaeHyun Yun, Stacy L. Pesek, Walter G. Chapmana and Rafael Verduzco. Soft Matter 2014, DOI: 10.1039/C3SM51654G
[2] http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/SM/c3sm51654g#!divAbstract [13.12.2031]
[3] http://news.rice.edu/2013/12/06/morphing-material-has-mighty-potential-2/ [13.12.2031]
[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Ciek%C5%82y_kryszta%C5%82 [13.12.2031]
[5] http://www.lcelastomer.org.uk/ [13.12.2031]
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_crystal_polymer [13.12.2031]
[7] Nematic rep by Polimerek, Wikimedia Commons, CC BY-Sa 3.0
[8] Polymer Clay Rainbow Buttons by Susan Averello (FantasyClay), flickr.com, CC BY-SA 2.0