研究人員已經開發出一種新的聚合物系列,它們可以自我修復,具有形狀記憶和可回收利用。
大自然為人類肢體設計的藍圖是精心分層的結構,堅硬的骨頭包裹在不同的軟組織(如肌肉和皮膚)中,彼此完美地結合在一起。
使用合成材料來實現這種複雜性來構建具有生物啟發性的機器人零件或多組件,複雜的機器一直是工程上的挑戰。
通過調整單一聚合物的化學性質,德克薩斯州A&M大學和美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室的研究人員創建了一系列合成材料,其質地從超軟到極硬。
研究人員說,他們的材料可以3D列印,自我修復,可回收,並且可以在空氣或水下自然地彼此粘附。
他們的發現在《高級功能材料》雜誌上有詳細介紹。
他們製造了一組令人興奮的材料,其材料可以微調以獲得橡膠的柔軟性或承重塑料的強度。
它們的其他理想特性,例如3D可列印性和在幾秒鐘內自我修復的能力,使其不僅適用於更逼真的假肢和軟機器人,而且還非常適合廣泛的軍事應用,例如飛機的敏捷平臺和未來派的自我修復能力。
合成聚合物由重複分子圖案的長串組成,例如鏈上的珠子。
在彈性體聚合物或彈性體中,這些長鏈是輕度交聯的,從而使材料具有橡膠質。
但是,這些交聯鍵也可用於通過增加交聯鍵的數量來使彈性體更堅硬。
儘管以前的研究已經控制了交聯劑的密度以使彈性體變硬,但由此產生的機械強度變化通常是永久性的。
交叉連結就像一塊布上的針跡一樣,針跡越多,材料變得越硬,反之亦然。
但是,科研人員不是要永久保留這些「縫線」,而是要實現動態且可逆的交聯,以便可以製造可回收的材料。
因此,研究人員將注意力集中在涉及交聯的分子上。
首先,他們選擇一種稱為預聚物的母體聚合物,然後用兩種類型的小交聯分子呋喃和馬來醯亞胺對這些預聚物鏈進行化學釘扎。
通過增加預聚物中這些分子的數量,他們發現它們可以產生更硬的材料。
這樣,他們創建的最堅硬的材料比最柔軟的材料強1000倍。
但是,這些交聯也是可逆的。
呋喃和馬來醯亞胺參與一種可逆的化學鍵合,當溫度足夠高時,這些分子會脫離聚合物鏈,從而使材料軟化。在室溫下,材料會硬化,因為分子會迅速相互點擊並再次形成交聯。
因此,如果這些材料在環境溫度下有任何撕裂,研究人員就會顯示呋喃和馬來醯亞胺會自動重新點擊,從而在幾秒鐘內修復縫隙。
研究人員指出,對於不同的硬度水平,交聯劑從預聚物鏈上解離或脫離的溫度相對相同。
此屬性對於使用這些材料進行3D列印很有用,無論它們是軟的還是硬的,都可以在相同的溫度下將其熔化,然後用作印刷油墨。
通過在標準3D印表機中修改硬體和處理參數,能夠使用這種材料逐層列印複雜的3D對象,材料的獨特優勢在於,構成3D零件的層的剛度可能大不相同。
隨著3D零件冷卻到室溫,不同的層可以無縫連接,從而排除了固化或任何其他化學處理的需要。
因此,3D列印的零件可以很容易地用高熱量熔化,然後作為印刷油墨回收。
研究人員還指出,他們的材料是可重新編程的,換句話說,在被設置為一種形狀之後,可以僅通過加熱使它們變為不同的形狀。
將來,研究人員計劃通過擴大當前研究中概述的多方面特性來增加其新材料的功能。
目前,科研人員可以輕鬆地在室溫下實現約80%的自我修復,但他們希望達到100%。
此外,他們希望使我們的材料對除溫度以外的其他刺激(例如光)做出響應。
在接下來的過程中,他們想探索引入一些底層的智能,以便這些材料知道可以自動適應而無需用戶啟動該過程。