Zainspirowani żywymi organizmami, od drzew po skorupiaki, naukowcy z University of Texas w Austin postanowili stworzyć plastik podobny do wielu form życia, które są twarde i sztywne w niektórych miejscach, a miękkie i rozciągliwe w innych. Ich sukces – po raz pierwszy, wykorzystujący tylko światło i katalizator do zmiany właściwości, takich jak twardość i elastyczność w cząsteczkach tego samego typu – zaowocował nowym materiałem, który jest 10 razy wytrzymalszy niż naturalna guma i może prowadzić do większej elastyczności elektronika i robotyka.
Odkrycia opublikowano dzisiaj w czasopiśmie Science.
„To pierwszy tego typu materiał” – powiedział Zachariah Page, adiunkt chemii i autor korespondencyjny artykułu. „Zdolność do kontrolowania krystalizacji, a tym samym fizycznych właściwości materiału, za pomocą światła jest potencjalnie transformacyjna dla elektroniki noszonej na ciele lub siłowników w miękkiej robotyce”.
Naukowcy od dawna starali się naśladować właściwości żywych struktur, takich jak skóra i mięśnie, za pomocą materiałów syntetycznych. W żywych organizmach struktury często z łatwością łączą takie atrybuty, jak wytrzymałość i elastyczność. Podczas używania mieszanki różnych materiałów syntetycznych do naśladowania tych atrybutów, materiały często zawodzą, rozpadają się i rozrywają na połączeniach między różnymi materiałami.
Często podczas łączenia materiałów, szczególnie jeśli mają one bardzo różne właściwości mechaniczne, chcą się rozdzielić” – powiedział Page. Page i jego zespół byli w stanie kontrolować i zmieniać strukturę materiału podobnego do tworzywa sztucznego, używając światła do zmiany sposobu materiał byłby twardy lub rozciągliwy.
Chemicy zaczęli od monomeru, małej cząsteczki, która wiąże się z innymi podobnymi, tworząc bloki budulcowe dla większych struktur zwanych polimerami, które są podobne do polimeru występującego w najczęściej używanym plastiku. Po przetestowaniu tuzina katalizatorów odkryli taki, który po dodaniu do ich monomeru i wyeksponowaniu światła widzialnego dał w wyniku semikrystaliczny polimer podobny do tych występujących w istniejącym kauczuku syntetycznym. Twardy i sztywniejszy materiał został uformowany w obszarach dotkniętych światłem, podczas gdy obszary nieoświetlone zachowały swoje miękkie, rozciągliwe właściwości.
Ponieważ substancja jest wykonana z jednego materiału o różnych właściwościach, była mocniejsza i można ją było rozciągać dalej niż większość mieszanych materiałów.
Reakcja zachodzi w temperaturze pokojowej, monomer i katalizator są dostępne w handlu, a jako źródło światła w eksperymencie naukowcy wykorzystali niedrogie niebieskie diody LED. Reakcja zajmuje również mniej niż godzinę i minimalizuje zużycie wszelkich niebezpiecznych odpadów, co sprawia, że proces jest szybki, niedrogi, energooszczędny i przyjazny dla środowiska.
Naukowcy będą następnie dążyć do opracowania większej liczby obiektów z materiału, aby nadal testować jego użyteczność.
„Z niecierpliwością czekamy na zbadanie metod zastosowania tej chemii do tworzenia obiektów 3D zawierających zarówno twarde, jak i miękkie komponenty” – powiedział pierwszy autor, Adrian Rylski, doktorant z UT Austin.
Zespół przewiduje, że materiał może zostać wykorzystany jako elastyczna podstawa do zakotwiczenia elementów elektronicznych w urządzeniach medycznych lub urządzeniach do noszenia. W robotyce pożądane są mocne i elastyczne materiały, aby poprawić ruch i trwałość.
Wkład w badania wnieśli także Henry L. Cater, Keldy S. Mason, Marshall J. Allen, Anthony J. Arrowood, Benny D. Freeman i Gabriel E. Sanoja z University of Texas w Austin.
Badania zostały sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki, Departament Energii Stanów Zjednoczonych oraz Fundację Roberta A. Welcha.