 Исследователи впервые успешно совместили несколько функций в одном материале. Новые «дизайнерский» материалы могут быть использованы в робототехнике, автомобильной и аэрокосмической индустрии, а также в сфере безопасности.
Исследователи из Кембриджского университета разработали простой «рецепт» для объединения нескольких материалов с одной функцией в одном материале с несколькими функциями: движение, запоминание движения и зондирование - по аналогии мышц у животных. Материалы могут быть использованы, чтобы сделать роботов более эффективными - посредством замены громоздких устройств одним умным материалом.
Новые дизайнерские материалы интегрируют структуру из двух или более отдельных функций на наноуровне, сохраняя при этом отдельные материалы физически разделенными. Зазоры между отдельными элементами настолько малы, что конечный материал равномерно способен выполнять функции его составных частей.
Материалы, синтезируют в реакции с растворителями или без растворителей; или через ряд последовательных реакций, где составные части синтезируются отдельно одна за другой, и последовательно сшиваются на наноуровне.
«Мы привыкли к мысли о синтетических материалах как структурных, а не функциональных вещах», сказал доктор Стоян Смоуков из отдела университета материаловедения и металлургии, который руководил исследованием. «Но мы сейчас вступаем в новую эру многофункциональных материалов, которые могут быть рассматриваться сами как роботы, так как мы можем запрограммировать их самостоятельно выполнять ряд действий».
Группа Смоукова ранее продемонстрировала совокупное движение и мышечную память в одном материале, но это первый случай, когда материалы были специально разработаны и синтезированы для выполнения нескольких функций.
Смарт-полимеры были впервые разработаны несколько десятков лет назад, но несколько функций не были эффективно объединены в том же материале, так как предыдущие попытки показали, что оптимизация одной функцию пришла за счет другой.
В этих новых материалах отдельные функции являются интегрированными, но при этом еще хранятся отдельно на наноуровне. Исследователи комбинировали два разных типа смарт-материалов: ионный электро-активный полимер (i-EAP), который изгибается или набухает с применением напряжения и используется в мягкой робототехнике; и двусторонний полимер памяти (SMP), который может быть запрограммирован, чтобы принять, а затем вспомнить конкретные формы, подобно мышечной памяти.
В связи с тем, что отдельные компоненты сцепляются на наноуровне, возникают сплошные дорожки в пределах каждого компонента с одной стороны материала до другой - пока есть наноразмерные границы между ними. Такие материалы обладают высокой устойчивостью к образованию трещин, что делает их очень механически стабильными. Вместо того, чтобы остановиться на механической стабильность, исследователи были заинтересованы в использовании этих структур, чтобы сделать многофункциональные искусственные мышцы, которые могут двигаться, чувствовать, а также сообщать о своей среде.
Движение в этих гибридных материалах можно регулировать различными способами, в том числе с помощью света, температуры, химических веществ, электрического или магнитного поля. Эти различные стимулы могут быть использованы, чтобы заставить материалы изменить цвет, излучать свет и энергию, или изменить форму.
По словам исследователей, использование этого метода, может открыть целый новый путь для смарт-материалов, так как материалы, которые были разработаны для других, одиночных, целей могут создать большое разнообразие многофункциональных комбинаций. Подобно выбору из массива закусок, основных блюд и десертов в меню ресторана, чтобы создать множество вариантов обеда, материала, выполняющие различные одиночные функции, могут быть объединены в подходе сочетания и выполнения множества трех-функциональных комбинации. И теория, по мнению исследователей, более чем трех взаимосвязанные компонентов является также достижимой.
«Это вроде как белки, где, используя всего 20 аминокислот, вы можете получить 8000 различных комбинаций трех аминокислот», сказал Смоуков. «Используя этот метод, мы можем выбрать из меню функции, а затем смешать их вместе, чтобы сделать материалы, которые могут сделать несколько вещей. Возможности этих материалов могут сделать их очень полезными в робототехнике».
«Мы пытаемся разработать материалы, которые приближаются к гибкости живых вещей», сказал Смоуков. «Глядя на функциональность живых вещей, мы хотим извлечь эту функциональность и найти способ, чтобы сделать е более простой в синтетическом материале. Мы раскрываем некоторые из слоев тайны, которые окружают жизнь».
|
