Metamorfosis: programación molecular de la forma.

En el mundo, todo obedece ciertas leyes. Muchas cosas que nos rodean, no podemos imaginar lo contrario. Para nosotros, el agua siempre está húmeda, el fuego está caliente, la pelota es esférica y el cubo es cúbico, no importa cuán infantil suene. ¿Pero es siempre así? Por cierto, la forma de cualquier objeto se debe tanto a las leyes químicas como a las físicas. Pero una persona siempre se esforzará por ajustar el mundo a su alrededor, incluso si tiene que jugar con las leyes de las ciencias naturales. Hoy se presta mucha atención a minimizar los dispositivos y sus elementos individuales, mientras se mantiene o aumenta su rendimiento y se reduce el consumo de energía. Sin embargo, hay quienes piensan un poco más. Hoy conoceremos el estudio del material que puede cambiar su forma de acuerdo con el programa establecido por los científicos. Qué tipo de material es, qué factores influyen en sus metamorfosis y cuán importante es para el futuro de la tecnología: aprenderemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos

Base de estudio

Para empezar, los científicos señalan que ya hay elastómeros cristalinos líquidos ( LC ) ( LCE ) que le permiten cambiar la forma del material polimérico. Este proceso es reversible, lo que también es una gran ventaja. Sin embargo, esta tecnología solo funciona con objetos grandes y requiere una programación intensiva e irreversible para obtener un control total sobre el proceso.

Los investigadores pusieron la química dinámica covalente * ( DCC ) en el centro de su experimento. La muestra cambió de forma solo si y donde se activaron elementos DCC fotoinducidos.

Química covalente dinámica * : un conjunto de métodos y técnicas para la creación sintética de estructuras supramoleculares complejas a partir de elementos moleculares discretos.

Por lo tanto, el uso de la luz como incentivo para programar una muestra activa un intercambio dinámico de enlaces, que es ortogonal * con respecto al comportamiento de fase de la LC. Esto permite que el LCE se adapte a cualquier fase LC o incluso a la fase isotrópica * .

La ortogonalidad * es una propiedad de los enlazadores (fragmentos de moléculas responsables de unir un compuesto químico a un sustrato sólido o líquido), lo que les permite eliminarse, eliminarse o modificarse sin afectar a otros fragmentos de la molécula.

La fase isotrópica * : consiste en micelas esféricas ** , que son la base de un cristal líquido y se encuentran en un paquete cúbico centrado en el cuerpo dentro de una solución acuosa.

Micelas ** : un conjunto de elementos de sustancias tensioactivas en una solución coloidal, que consta de muchas moléculas anfifílicas (simultáneamente hidrófilas e hidrófobas).


Video de demostración de la formación de micelas usando un jabón simple como ejemplo.

Pero este video es muy divertido, sin embargo, bastante informativo (no pude resistir, por lo tanto, lo agregó)

Los fundamentos teóricos anteriores permitieron a los investigadores crear un LCE cuya forma cambia reversiblemente de acuerdo con el programa establecido. Para lograr dicho resultado, se debe ejercer un efecto preliminar (térmico, mecánico, químico, ligero, etc.) sobre la muestra.

Experimento y sus resultados

La base de la muestra eran oligómeros de cristal líquido, que difieren de los polímeros en que el número de unidades componentes de estas moléculas es limitado. Algunas de las características de la polimerización con transferencia de cadena reversible por el mecanismo de fragmentación de unión ( AFT ) se aplicaron a los oligómeros.


Imagen No. 1a

Gracias a la reacción de adición de tiol-Michael, fue posible proporcionar una instalación bastante libre de problemas de la funcionalidad necesaria debido a la introducción de alil ditiol en oligómeros.

Allyl * es un radical hidrocarbonado en el que el átomo de hidrógeno se elimina del tercer átomo de carbono.

Tioles * : análogo de azufre de los alcoholes.

Este método de fijación le permite crear, digamos, oligómeros "controlados".



Al ser un monómero * tiol, el alil ditiol reacciona con el diacrilato mesogénico (RM82) y el diacrilato de glicol (NPGDA), lo que conduce a la formación de oligómeros que contienen sulfito de alilo con función AFT. A continuación, se produce la fotopolimerización en una red de cadenas poliméricas conectadas.

El monómero * es una sustancia de bajo peso molecular que forma un polímero en una reacción de polimerización.

Un elastómero de cristal líquido es un compuesto elástico, pero a través de la aplicación de los métodos anteriores, comienza a comportarse como un fluido viscoelástico * .

Fluido viscoelástico * : una sustancia con elasticidad, como los sólidos, e irreversibilidad del flujo, como los líquidos.

Imagen # 1b

En la imagen de arriba, vemos cómo los elementos LCE sufrieron alineación y "borrado" de alineación a través del desplazamiento mecánico (programación) y la destrucción térmica (borrado). Estos procesos fueron acompañados naturalmente por la exposición a la luz (hv, 30 mW / cm ² , longitud de onda de 320 a 500 nm).

El gráfico polar (derecha) presenta los resultados de la espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier, que corresponde al núcleo aromático C - H * (3350 - 3300 cm ^-1 ) en diferentes ángulos de polarización de la luz.

Los compuestos aromáticos * son compuestos cíclicos en los que los anillos conjugados de enlaces insaturados exhiben una estabilidad anormal.

Miura Ori


Imagen No. 1s

La figura 1c muestra el proceso de programación de una película térmicamente reversible. Se dobló manualmente una película de polímero multidominio de 250 μm de grosor de acuerdo con el esquema Miura-ori, después de lo cual se expuso a la luz (320 - 500 nm, 100 mW / cm ² ) y una ligera temperatura (30 ° - 40 ° C). Como resultado, cuando se expone a altas temperaturas, la película se despliega y, durante el enfriamiento, se pliega.


Demostración del cambio en la forma de una película plana en una doblada y un cuadrado en un círculo (de 02:05)

Resultados similares sugieren que el uso de elementos AFT le permite combinar propiedades termoestables y termoplásticas en un material.

Una forma similar de la muestra (Miura-ori) no fue elegida por casualidad. Esta opción es mucho más complicada que el simple estiramiento y compresión, y permite comprender cuán eficientemente funciona la programación de la sustancia.



La imagen de arriba muestra una versión simplificada de cambiar la forma de una muestra mediante la programación de sus elementos. La película plana ( A ) se retorció en una espiral ( B ) a mano y se expuso a ella durante 10 segundos con una luz de 50-100 mW / cm2 con una longitud de onda de 320-500 nm. El calentamiento de una muestra en espiral a 100 ° C y otros 10 con exposición a la luz la devolvió a su forma plana anterior ( C ).

Como resultado, la forma isotrópica que adquiere un objeto al aumentar la temperatura se puede establecer durante la fotopolimerización primaria. Y la forma LC, que el objeto toma a temperatura ambiente (sin efectos de luz y térmicos adicionales), se programa mediante el intercambio de elementos AFT.

Cuadrado → Círculo → Cuadrado

El método anterior también se usó para cambiar el cuadrado de la muestra a redondo (exagerado, porque el volumen de la muestra para facilitar la narración en el informe de los científicos no se tiene en cuenta).

Como se puede ver en el rodillo de arriba, el bloque cuadrado tiene una forma estable cuando no se ve afectado por radiación térmica y de luz adicional. Cuando la temperatura aumenta a 100 ° C, la muestra cambia de forma de acuerdo con el orificio en el que no podría pasar con la forma original.

Usando diferentes temperaturas, los investigadores encontraron una reacción diferente a este efecto. Entonces, mientras se programa la muestra a una temperatura de 120 ° C, el polímero asimila el dominio único en la fase LC y corresponde casi por completo a la deformación aplicada en la fase isotrópica. Una muestra programada en la fase LC a temperaturas de 25 y 67 ° C no mostró prácticamente ninguna deformación programada en la fase isotrópica. En otras palabras, a tales temperaturas la muestra no tomó la forma deseada. Si la temperatura de programación es más alta que la temperatura de transición de fase (80 ° C), se observa un voltaje distribuido muy uniformemente en toda la red de la muestra, como resultado, también se produce una relajación uniforme en toda el área de la muestra. Así, mediante prueba y error, se estableció la temperatura óptima (en esta etapa de investigación) para programar la forma de la sustancia.

Los investigadores han proporcionado un informe para que todos se familiaricen con su trabajo.

Además de materiales adicionales.

Epílogo

Según los científicos, su trabajo le permite lograr una comprensión más profunda de ciertos procesos que tienen lugar dentro de diversas sustancias. El uso de la luz como factor externo proporciona control espacial y temporal sobre el proceso de programación de la forma de la muestra.

Los científicos han logrado crear un material termo-reversible fotopolimerizable que puede programarse repetidamente utilizando efectos mecánicos, luminosos y térmicos. Un cambio en la estructura molecular de la muestra hizo posible que fuera universal: una muestra puede adoptar casi cualquier forma dada por una persona.

En el futuro, los científicos continuarán su investigación, ya que todavía tienen que mejorar el proceso de programación en sí, y continuarán buscando nuevas formas, posiblemente más efectivas, de influir en la muestra en el proceso de programación.

La capacidad de cambiar la forma de la muestra, o más bien de manipularla, abre nuevas posibilidades para crear dispositivos para las áreas más diversas de la vida humana: desde la medicina y el ejército hasta la informática y las tecnologías espaciales.

Gracias por quedarte con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más materiales interesantes? Apóyenos haciendo un pedido o recomendándolo a sus amigos, un descuento del 30% para los usuarios de Habr en un análogo único de servidores de nivel de entrada que inventamos para usted: toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de $ 20 o cómo dividir el servidor? (las opciones están disponibles con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).

3 meses gratis al pagar un nuevo Dell R630 por un período de seis meses - 2 x Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128GB DDR4 / 4x1TB HDD o 2x240GB SSD / 1Gbps 10 TB - desde $ 99.33 al mes , solo hasta el final de agosto, ordene puede estar aquí

Dell R730xd 2 veces más barato? ¡Solo tenemos 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV desde $ 249 en los Países Bajos y los Estados Unidos! Lea sobre Cómo construir un edificio de infraestructura. clase utilizando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 que cuestan 9,000 euros por un centavo?