Metamorfoses: programação molecular da forma

No mundo, tudo obedece a certas leis. Muitas coisas que nos cercam, não podemos imaginar o contrário. Para nós, a água está sempre molhada, o fogo é quente, a bola é esférica e o cubo é cúbico, por mais infantil que seja. Mas é sempre assim? A propósito, a forma de qualquer objeto se deve a leis químicas e físicas. Mas uma pessoa sempre se esforçará para ajustar o mundo ao seu redor, mesmo que tenha que brincar com as leis das ciências naturais. Hoje é dada muita atenção à minimização de dispositivos e seus elementos individuais, mantendo ou aumentando seu desempenho e reduzindo o consumo de energia. No entanto, há quem pense um pouco mais. Hoje conheceremos o estudo de material que pode mudar de forma, de acordo com o programa estabelecido pelos cientistas. Que tipo de material é, quais fatores influenciam suas metamorfoses e qual a importância para o futuro da tecnologia - aprenderemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Para iniciantes, os cientistas apontam que já existem elastômeros cristalinos líquidos ( LC ) ( LCE ) que permitem alterar a forma do material polimérico. Este processo é reversível, o que também é uma grande vantagem. No entanto, essa tecnologia funciona apenas com objetos grandes e requer programação intensa e irreversível para obter controle total sobre o processo.

Os pesquisadores colocam a química covalente dinâmica * ( DCC ) no centro de seus experimentos. A amostra mudou de forma somente se e onde os elementos DCC fotoinduzidos foram ativados.

Química covalente dinâmica * - um conjunto de métodos e técnicas para a criação sintética de estruturas supramoleculares complexas a partir de elementos moleculares discretos.

Assim, o uso da luz como incentivo para programar uma amostra ativa uma troca dinâmica de vínculos ortogonais * em relação ao comportamento de fase do CL. Isso permite que o LCE se adapte a qualquer fase de LC ou mesmo à fase isotrópica * .

Ortogonalidade * é uma propriedade dos ligantes (fragmentos de moléculas responsáveis ​​por anexar um composto químico a um substrato sólido ou líquido), que permite que sejam removidos, removidos ou modificados sem afetar outros fragmentos da molécula.

A fase isotrópica * - consiste em micelas esféricas ** , que são a base de um cristal líquido e localizam-se em uma embalagem cúbica centrada no corpo dentro de uma solução aquosa.

Micelas ** - um conjunto de elementos de substâncias tensoativas em uma solução coloidal, consistindo em muitas moléculas anfifílicas (simultaneamente hidrofílicas e hidrofóbicas).


Demonstração em vídeo da formação de micelas usando um sabão simples como exemplo.

Mas este vídeo é muito engraçado, no entanto, bastante informativo (não resistiu, portanto, acrescentou)

Os fundamentos teóricos acima permitiram aos pesquisadores criar um LCE cuja forma muda reversivelmente de acordo com o programa estabelecido. Para alcançar esse resultado, um efeito preliminar (térmico, mecânico, químico, luminoso etc.) deve ser exercido sobre a amostra.

Experiência e seus resultados

A base da amostra eram oligômeros de cristal líquido, que diferem dos polímeros, pois o número de unidades componentes dessas moléculas é limitado. Algumas das características da polimerização com transferência reversa de cadeia pelo mecanismo de ligação-fragmentação ( AFT ) foram aplicadas aos oligômeros.


Imagem No. 1a

Graças à reação de adição de tiol-Michael, foi possível fornecer uma instalação sem problemas do funcional necessário devido à introdução de alil-ditiol em oligômeros.

Ally * é um radical hidrocarboneto no qual o átomo de hidrogênio é removido do terceiro átomo de carbono.

Tióis * - análogo de enxofre de álcoois.

Esse método de conexão permite criar, digamos, oligômeros "controlados".



Sendo um monômero * tiol, o alil-ditiol reage com diacrilato mesogênico (RM82) e diacrilato de glicol (NPGDA), o que leva à formação de oligômeros contendo sulfato de alilo com função AFT. Em seguida, ocorre a fotopolimerização em uma rede de cadeias poliméricas conectadas.

O monômero * é uma substância de baixo peso molecular que forma um polímero em uma reação de polimerização.

Um elastômero de cristal líquido é um composto elástico, mas através da aplicação dos métodos acima, ele começa a se comportar como um fluido viscoelástico * .

Líquido viscoelástico * - substância com elasticidade, como sólidos e irreversibilidade do fluxo, como líquidos.

Imagem # 1b

Na imagem acima, vemos como os elementos de LCE foram submetidos ao alinhamento e "apagamento" do alinhamento por deslocamento mecânico (programação) e destruição térmica (apagamento). Esses processos foram naturalmente acompanhados de exposição à luz (hv, 30 mW / cm ² , comprimento de onda de 320 a 500 nm).

O gráfico polar (à direita) apresenta os resultados da espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, que corresponde ao núcleo C - H aromático * (3350 - 3300 cm ^-1 ) em diferentes ângulos de polarização da luz.

Os compostos aromáticos * são compostos cíclicos nos quais os anéis conjugados de ligações insaturadas exibem estabilidade anormal.

Miura Ori


Imagem No. 1s

A Figura 1c mostra o processo de programação de um filme termicamente reversível. Um filme polimérico de múltiplos domínios com 250 μm de espessura foi dobrado manualmente de acordo com o esquema Miura-ori, após o qual foi exposto à luz (320 - 500 nm, 100 mW / cm ² ) e a uma ligeira temperatura térmica (30 ° - 40 ° C). Como resultado, quando exposto a alta temperatura, o filme se desdobra e, durante o resfriamento, se dobra para trás.


Demonstração da mudança na forma de um filme plano em um filme dobrado e um quadrado em círculo (a partir das 02:05)

Resultados semelhantes sugerem que o uso de elementos AFT permite combinar propriedades termoendurecíveis e termoplásticas em um material.

Uma forma semelhante da amostra (Miura-ori) não foi escolhida por acaso. Essa opção é muito mais complicada do que simples alongamento e compressão, e permite entender com que eficiência a programação da substância funciona.



A imagem acima mostra uma versão simplificada da alteração da forma de uma amostra programando seus elementos. O filme plano ( A ) foi torcido em espiral ( B ) manualmente e exposto a ele por 10 segundos com uma luz de 50-100 mW / cm2 com um comprimento de onda de 320 - 500 nm. O aquecimento de uma amostra em espiral a 100 ° C e outras 10 com exposição à luz retornaram à sua forma plana anterior ( C ).

Como resultado, a forma isotrópica que um objeto assume ao aumentar a temperatura pode ser definida durante a fotopolimerização primária. E a forma LC, que o objeto leva à temperatura ambiente (sem luz e efeitos térmicos adicionais), é programada através da troca de elementos AFT.

Quadrado → Círculo → Quadrado

O método acima também foi usado para alterar o quadrado da amostra para arredondar (exagerado, porque o volume da amostra para facilitar a narração no relatório dos cientistas não é levado em consideração).

Como pode ser visto no rolo acima, o bloco quadrado tem uma forma estável quando não é afetado por radiação térmica e luminosa adicional. Quando a temperatura sobe para 100 ° C, a amostra muda de forma de acordo com o furo no qual não pode passar com a forma original.

Usando diferentes temperaturas, os pesquisadores descobriram uma reação diferente a esse efeito. Assim, ao programar a amostra a uma temperatura de 120 ° C, o polímero assimila o domínio único na fase LC e corresponde quase completamente à deformação aplicada na fase isotrópica. Uma amostra programada na fase LC a temperaturas de 25 e 67 ° C mostrou praticamente nenhuma deformação programada na fase isotrópica. Por outras palavras, a tais temperaturas a amostra não assumiu a forma desejada. Se a temperatura de programação for superior à temperatura de transição de fase (80 ° C), uma tensão distribuída de maneira muito uniforme será observada em toda a rede da amostra, como resultado, um relaxamento uniforme também ocorrerá em toda a área da amostra. Assim, por tentativa e erro, a temperatura ideal (nesta fase da pesquisa) foi estabelecida para programar a forma da substância.

Os pesquisadores forneceram um relatório para que todos se familiarizassem com seu trabalho.

Bem como materiais adicionais.

Epílogo

Segundo os cientistas, o trabalho deles permite obter uma compreensão mais profunda de certos processos que ocorrem dentro de várias substâncias. O uso da luz como um fator externo fornece controle espacial e temporal sobre o processo de programação da forma da amostra.

Os cientistas conseguiram criar um material termo-reversível fotopolimerizável que pode ser programado repetidamente usando efeitos mecânicos, leves e térmicos. Uma mudança na estrutura molecular da amostra tornou possível torná-la universal - uma amostra pode assumir quase todas as formas dadas por uma pessoa.

No futuro, os cientistas continuarão suas pesquisas, uma vez que ainda precisam melhorar o processo de programação, bem como continuar procurando novas maneiras, possivelmente mais eficazes, de influenciar a amostra no processo de programação.

A capacidade de alterar a forma da amostra, ou melhor, de manipulá-la, abre novas possibilidades na criação de dispositivos para as mais diversas áreas da vida humana: da medicina e do exército às tecnologias computacionais e espaciais.

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