Metamorphosen: molekulare Programmierung der Form

In der Welt gehorcht alles bestimmten Gesetzen. Viele Dinge, die uns umgeben, können wir uns nicht anders vorstellen. Für uns ist das Wasser immer nass, das Feuer ist heiß, der Ball ist kugelförmig und der Würfel ist kubisch, egal wie kindisch er klingt. Aber ist das immer so? Übrigens ist die Form eines Objekts sowohl auf chemische als auch auf physikalische Gesetze zurückzuführen. Aber ein Mensch wird immer danach streben, die Welt um sich herum anzupassen, auch wenn er mit den Gesetzen der Naturwissenschaften spielen muss. Heutzutage wird viel Wert darauf gelegt, Geräte und ihre einzelnen Elemente zu minimieren, ihre Leistung beizubehalten oder zu steigern und den Stromverbrauch zu senken. Es gibt jedoch diejenigen, die etwas weiter denken. Heute lernen wir das Studium von Material kennen, das seine Form gemäß dem von Wissenschaftlern festgelegten Programm ändern kann. Um welche Art von Material handelt es sich, welche Faktoren beeinflussen seine Metamorphosen und wie wichtig es für die Zukunft der Technologie ist - das erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Für den Anfang weisen Wissenschaftler darauf hin, dass es bereits flüssigkristalline ( LC ) Elastomere ( LCE ) gibt, mit denen Sie die Form des Polymermaterials ändern können. Dieser Prozess ist reversibel, was ebenfalls ein großes Plus ist. Diese Technologie funktioniert jedoch nur mit großen Objekten und erfordert eine intensive und irreversible Programmierung, um die vollständige Kontrolle über den Prozess zu erhalten.

Die Forscher stellten die dynamische kovalente Chemie * ( DCC ) in den Mittelpunkt ihres Experiments. Die Probe änderte nur dann ihre Form, wenn und wo photoinduzierte DCC-Elemente aktiviert wurden.

Dynamische kovalente Chemie * - eine Reihe von Methoden und Techniken zur synthetischen Erzeugung komplexer supramolekularer Strukturen aus diskreten molekularen Elementen.

Die Verwendung von Licht als Anreiz zum Programmieren einer Probe aktiviert somit einen dynamischen Austausch von Bindungen, der in Bezug auf das Phasenverhalten des LC orthogonal * ist . Dies ermöglicht es dem LCE, sich an jede LC-Phase oder sogar an die isotrope Phase * anzupassen.

Orthogonalität * ist eine Eigenschaft von Linkern (Fragmente von Molekülen, die für die Bindung einer chemischen Verbindung an ein festes oder flüssiges Substrat verantwortlich sind), mit der sie entfernt, entfernt oder modifiziert werden können, ohne andere Fragmente des Moleküls zu beeinflussen.

Die isotrope Phase * - besteht aus kugelförmigen Mizellen ** , die die Basis eines Flüssigkristalls bilden und sich auf einer kubisch raumzentrierten Packung in einer wässrigen Lösung befinden.

Mizellen ** - eine Reihe von Elementen oberflächenaktiver Substanzen in einer kolloidalen Lösung, die aus vielen amphiphilen (gleichzeitig hydrophilen und hydrophoben) Molekülen bestehen.


Videodemonstration der Mizellenbildung am Beispiel einer einfachen Seife.

Aber dieses Video ist sehr lustig, aber ziemlich informativ (konnte nicht widerstehen, fügte es daher hinzu)

Die obigen theoretischen Grundlagen ermöglichten es den Forschern, ein LCE zu erstellen, dessen Form sich gemäß dem festgelegten Programm reversibel ändert. Um ein solches Ergebnis zu erzielen, muss ein vorläufiger Effekt (thermisch, mechanisch, chemisch, leicht usw.) auf die Probe ausgeübt werden.

Experiment und seine Ergebnisse

Die Basis der Probe waren Flüssigkristalloligomere, die sich von Polymeren dadurch unterscheiden, dass die Anzahl der Komponenteneinheiten dieser Moleküle begrenzt ist. Einige der Merkmale der Polymerisation mit reversiblem Kettenübertrag durch den Bindungsfragmentierungsmechanismus ( AFT ) wurden auf Oligomere angewendet.


Bild Nr. 1a

Dank der Thiol-Michael-Additionsreaktion war es aufgrund der Einführung von Allyldithiolen in Oligomere möglich, die notwendigen funktionellen Funktionen problemlos zu installieren.

Allyl * ist ein Kohlenwasserstoffradikal, bei dem das Wasserstoffatom vom dritten Kohlenstoffatom entfernt wird.

Thiole * - Schwefelanalogon von Alkoholen.

Mit dieser Bindungsmethode können Sie beispielsweise "kontrollierte" Oligomere herstellen.



Als * Thiolmonomer reagiert Allyldithiol mit mesogenem Diacrylat (RM82) und Glykoldiacrylat (NPGDA), was zur Bildung von Oligomeren führt, die Allylsulfit mit AFT-Funktion enthalten. Als nächstes erfolgt die Photopolymerisation in ein Netzwerk verbundener Polymerketten.

Monomer * ist eine niedermolekulare Substanz, die bei einer Polymerisationsreaktion ein Polymer bildet.

Ein Flüssigkristallelastomer ist eine elastische Verbindung, aber durch die Anwendung der obigen Verfahren beginnt es sich wie eine viskoelastische Flüssigkeit * zu verhalten.

Viskoelastische Flüssigkeit * - eine Substanz mit Elastizität wie Feststoffe und irreversibler Strömung wie Flüssigkeiten.

Bild # 1b

Im obigen Bild sehen wir, wie die LCE-Elemente durch mechanische Verschiebung (Programmierung) und thermische Zerstörung (Löschung) ausgerichtet und „gelöscht“ wurden. Diese Prozesse gingen natürlich mit einer Belichtung einher (hv, 30 mW / cm ² , Wellenlänge von 320 bis 500 nm).

Der Polardiagramm (rechts) zeigt die Ergebnisse der Infrarotspektroskopie mit Fourier-Transformation, die dem CH- aromatischen * Kern (3350 - 3300 cm ^-1 ) bei verschiedenen Polarisationswinkeln des Lichts entsprechen.

Aromatische Verbindungen * sind cyclische Verbindungen, bei denen die konjugierten Ringe ungesättigter Bindungen eine abnormale Stabilität aufweisen.

Miura Ori


Bild Nr. 1s

Abbildung 1c zeigt den Programmierprozess eines thermisch reversiblen Films. Ein 250 & mgr; m dicker Multidomänen-Polymerfilm wurde manuell nach dem Miura-ori-Schema gefaltet, wonach er Licht (320 - 500 nm, 100 mW / cm ² ) und einer leichten Wärme (30 - 40 ° C) ausgesetzt wurde. Infolgedessen entfaltete sich der Film, wenn er hoher Temperatur ausgesetzt wurde, und faltete sich während des Abkühlens zurück.


Demonstration der Änderung der Form eines Flachfilms in einen gefalteten und ein Quadrat in einem Kreis (ab 02:05)

Ähnliche Ergebnisse legen nahe, dass Sie durch die Verwendung von AFT-Elementen die duroplastischen und thermoplastischen Eigenschaften in einem Material kombinieren können.

Eine ähnliche Form der Probe (Miura-ori) wurde nicht zufällig gewählt. Diese Option ist viel komplizierter als einfaches Dehnen und Komprimieren und ermöglicht es zu verstehen, wie effizient die Programmierung der Substanz funktioniert.



Das obige Bild zeigt eine vereinfachte Version des Änderns der Form eines Samples durch Programmieren seiner Elemente. Der flache Film ( A ) wurde von Hand zu einer Spirale ( B ) gedreht und 10 Sekunden lang mit einem Licht von 50 bis 100 mW / cm² mit einer Wellenlänge von 320 bis 500 nm belichtet. Durch Erhitzen einer Spiralprobe auf 100 ° C und weitere 10 unter Belichtung wurde die ursprüngliche flache Form ( C ) wiederhergestellt .

Infolgedessen kann die isotrope Form, die ein Objekt mit steigender Temperatur annimmt, während der primären Photopolymerisation eingestellt werden. Und die LC-Form, die das Objekt bei Raumtemperatur annimmt (ohne zusätzliche Licht- und Wärmeeffekte), wird durch den Austausch von AFT-Elementen programmiert.

Quadrat → Kreis → Quadrat

Die obige Methode wurde auch verwendet, um das Stichprobenquadrat in rund zu ändern (übertrieben, da das Volumen der Stichprobe zur Erleichterung der Erzählung im Bericht von Wissenschaftlern nicht berücksichtigt wird).

Wie aus der Walze oben ersichtlich ist, hat der quadratische Block eine stabile Form, wenn er nicht durch zusätzliche Wärme- und Lichtstrahlung beeinträchtigt wird. Wenn die Temperatur auf 100 ° C ansteigt, ändert die Probe ihre Form entsprechend dem Loch, in das sie mit der ursprünglichen Form nicht gelangen konnte.

Bei unterschiedlichen Temperaturen fanden die Forscher eine unterschiedliche Reaktion auf diesen Effekt. Während der Programmierung der Probe bei einer Temperatur von 120 ° C assimiliert das Polymer die einzelne Domäne in der LC-Phase und entspricht fast vollständig der Verformung in der isotropen Phase. Eine in der LC-Phase bei Temperaturen von 25 und 67 ° C programmierte Probe zeigte praktisch keine programmierte Verformung in der isotropen Phase. Mit anderen Worten, bei solchen Temperaturen nahm die Probe nicht die gewünschte Form an. Wenn die Programmiertemperatur höher als die Phasenübergangstemperatur (80 ° C) ist, wird eine sehr gleichmäßig verteilte Spannung über das gesamte Netzwerk der Probe beobachtet, wodurch eine gleichmäßige Relaxation auch über den gesamten Bereich der Probe auftritt. So wurde durch Versuch und Irrtum die optimale Temperatur (in dieser Forschungsphase) für die Programmierung der Substanzform ermittelt.

Forscher haben einen Bericht für alle bereitgestellt, um sich mit ihrer Arbeit vertraut zu machen.

Sowie zusätzliche Materialien dazu.

Nachwort

Laut Wissenschaftlern ermöglicht ihre Arbeit ein tieferes Verständnis bestimmter Prozesse, die in verschiedenen Substanzen ablaufen. Die Verwendung von Licht als externer Faktor ermöglicht eine räumliche und zeitliche Kontrolle über den Prozess der Programmierung der Form der Probe.

Wissenschaftlern ist es gelungen, ein photopolymerisierbares, thermoreversibles Material herzustellen, das mithilfe mechanischer, licht- und thermischer Effekte wiederholt programmiert werden kann. Eine Änderung der Molekülstruktur der Probe ermöglichte es, sie universell zu machen - eine Probe kann nahezu jede von einer Person vorgegebene Form annehmen.

In Zukunft werden die Wissenschaftler ihre Forschung fortsetzen, da sie den Programmierprozess selbst noch nicht verbessert haben und weiterhin nach neuen, möglicherweise effektiveren Möglichkeiten suchen, die Stichprobe im Programmierprozess zu beeinflussen.

Die Fähigkeit, die Form der Probe zu ändern oder vielmehr zu manipulieren, eröffnet neue Möglichkeiten bei der Schaffung von Geräten für die unterschiedlichsten Bereiche des menschlichen Lebens: von der Medizin über die Armee bis hin zu Computer- und Weltraumtechnologien.

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