Comportamenti materiali di sal-gel. (a) Un grafico illustrativo dell'energia potenziale in funzione del percorso di reazione, caratterizzato da una barriera energetica tra due stati solidi stabili con proprietà meccaniche distinte. I quadrati rappresentano i ritratti molecolari concettuali di sal-gel, dove il sale viene fuso allo stato molle e congelato allo stato rigido. Le fotografie illustrano il comportamento meccanico del sal-gel, che è sufficientemente flessibile da essere piegato su se stesso allo stato morbido ma sufficientemente rigido da sostenere un peso di 200 g allo stato rigido. (b) Fissaggio della forma su richiesta di sal-gel (P10L10) manipolando la sua forma allo stato morbido e quindi fissando la forma toccando il gel con cristalli di semi di sale. La forma fissa può essere invertita riscaldando il gel (>58 °C). (c) Ad alto contenuto di polimeri (P30L10), il materiale è elastico e flessibile, deformandosi quando viene attorcigliato ma ritornando alla forma fissa originale quando viene rilasciata la forza. A basso contenuto di polimeri (P10L10), la forma fissa è rigida e inflessibile e si rompe alla torsione. Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
La materia solida contiene tipicamente un singolo, stato solido stabile per un insieme specifico di condizioni. Gli scienziati dei materiali prevedono che i nuovi materiali con stati solidi intercambiabili saranno vantaggiosi per diverse applicazioni tecniche. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Materiali della natura , Fut (Kuo) Yang e colleghi dei dipartimenti interdisciplinari di Ingegneria Chimica, La bioingegneria e la biotecnologia in Canada e in Cina hanno descritto lo sviluppo di un materiale ibrido due in uno.
Hanno composto il materiale con un polimero impregnato di una soluzione salina super raffreddata nota come "sal-gel". Il materiale ha assunto due stati solidi distinti ma stabili e reversibili a temperature e pressioni variabili (da -90 gradi C a 58 gradi C). Quando gli scienziati hanno stimolato la nucleazione, il materiale spostato da un chiaro, solido morbido a uno stato duro bianco che era 10 4 volte più rigido dell'originale (15 kPa contro 385 MPa). Hanno invertito il solido duro di nuovo in consistenza morbida tramite riscaldamento transitorio per dimostrare la reversibilità della transizione. Lo studio ha esplorato il concetto di metastabilità fisica robusta di uno stato liquido e Yang et al. estese il lavoro agli alcoli di zucchero per formare "sug-gel" sensibili agli stimoli e non evaporanti. Tali materiali ibridi due in uno saranno utili nella robotica morbida e nelle applicazioni adesive.
I materiali che cambiano la rigidità offrono una soluzione per progettare un'adattabilità paradossale della forma e capacità di carico che sono importanti per una varietà di aree tecniche tra cui la robotica morbida, adesivi/adesivi e aeronautica. Sostenere la risposta meccanica di tali materiali intelligenti è, però, limitato dalla richiesta di uno stimolo esterno. Una soluzione per creare solidi due in uno consiste nell'esplorare la metastabilità meccanica o strutturale di tali materiali. Questo si osserva con metamateriali ispirati agli origami o ai kirigami che possono trasformare la loro rigidità attraverso cambiamenti negli stati topologici.
Per ottenere stati stabili duali, il meccanismo sottostante deve formare una barriera energetica tra i due, dove ogni stato riposava al minimo energetico. Ad esempio, la cristallizzazione liquida può soddisfare questo requisito laddove il liquido inizialmente richiedeva la formazione di un cluster sufficientemente grande di atomi o molecole cristalline. Il guadagno di energia libera di trasformare la fase cristallina deve quindi superare il costo di energia libera di creare un'interfaccia tra il liquido e il cristallo. Gli scienziati potrebbero superare la barriera energetica tra le interfacce inducendo l'autoassemblaggio tramite nucleazione secondaria (formazione di nuovi cristalli da cristalli esistenti) per le trasformazioni da liquido a cristallino e con il calore per la trasformazione da cristallino a liquido. Il processo è relativamente più difficile per le trasformazioni di fase con solidi puri le cui fasi cristalline e non cristalline sono entrambe solide.
Transizione da morbida a dura a contatto di sal-gel. Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
Come materiale esemplificativo, sodio acetato triidrato è un materiale a cambiamento di fase (PCM) comunemente noto come "ghiaccio caldo, " poiché rilascia calore durante il congelamento con la ben nota capacità di superraffreddare. Sebbene il solido abbia un punto di fusione di 58 gradi C, può rimanere stabile per anni come liquido super raffreddato a temperatura ambiente, con applicazione nell'accumulo di energia stagionale. Yang et al. ha fornito all'acetato di sodio solido triidrato una forma solida aggiuntiva utilizzando una rete polimerica compatibile per produrre un materiale ibrido stampabile e leggero noto come sal-gel. Il materiale potrebbe cambiare in modo intercambiabile la sua rigidità effettiva senza stimolazione esterna, consentendo agli scienziati di sfruttare appieno la transizione di fase e la metastabilità del sale.
Il materiale ibrido trasformato in una forma simile alla gomma durante la fusione per il fissaggio della forma su richiesta con una variazione della rigidità maggiore di 10 4 volte. La caratteristica è altamente desiderabile per i solidi "due in uno" rispetto ai materiali che modificano la rigidità precedentemente sviluppati. Il nuovo materiale è rilevante per le prestazioni in continua crescita di miniaturizzare e aumentare la densità delle prestazioni dei materiali multifunzionali.
Proprietà sal-gel allo stato rigido. Comportamento a basso contenuto di polimero vs alto contenuto di polimero. Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
Gli scienziati hanno preparato il sal-gel mescolando acetato di sodio triidrato fuso con precursori polimerici di poli(acido acrilico) e una miscela liquida di acido acetico con acqua. La miscela di gel risultante è rimasta trasparente, suggerendo che i costituenti siano miscibili tra loro. Il gel risultante aveva due stati solidi; uno stato morbido trasparente e uno stato rigido opaco che ha resistito alla deformazione. Gli scienziati hanno trasformato il sal-gel dal suo stato molle allo stato rigido tramite nucleazione secondaria attraverso il tocco di cristalli di semi di acetato di sodio triidrato. Al contatto con un seme di cristallo, la nucleazione è avvenuta immediatamente per far procedere la cristallizzazione dal punto di contatto attraverso l'intero materiale.
Per condurre sperimentalmente l'iniziazione, Yang et al. usato un bastoncino di legno con una piccola quantità di polvere di cristallo fine sulla punta. Poiché il fenomeno ha avuto origine dalla superficie del campione, assumevano una duplice causa; dove all'inizio, il costo dell'energia libera per la nucleazione notevolmente diminuito sulla superficie del gel a causa della ridotta area superficiale. Successivamente, a contatto, la superficie ha sperimentato un'enorme quantità di energia cinetica. Finché il gel è rimasto lubrificato, gli scienziati potrebbero prevenire la cristallizzazione indesiderata. Yang et al. ha invertito il sal-gel al suo stato morbido riscaldandolo al di sopra del punto di fusione e ha utilizzato queste proprietà per fissare la forma del gel su richiesta. Hanno messo a punto le proprietà fisiche dello stato congelato manipolando il contenuto di polimero del gel per resistere alla deformazione e tornare alla sua forma fissa dopo il rilascio dello stress.
Il team di ricerca ha testato il comportamento meccanico dei due stati del sistema sal-gel in ambienti simili utilizzando l'indentazione. Hanno confrontato il sal-gel fuso e congelato, dove una deformazione plastica visibile si è formata allo stato congelato, che scomparve dopo la fusione. Utilizzando le misurazioni Yang et al. ha mostrato un cambiamento significativo nella rigidità tra i due stati. Sebbene il sal-gel congelato fosse rigido, era meno fragile per la rientranza senza screpolature rispetto a un controllo del sale congelato privo di polimeri.
A SINISTRA:Comportamenti meccanici del sal-gel. (AC), Curve tipiche carico-spostamento per P10L10 fuso (a) e congelato (b), e campioni congelati L10 (c) nelle prove di indentazione. (D, e), Caratterizzazione meccanica di sal-gel di diversa composizione con moduli elastici effettivi estratti dalle curve di carico iniziali (d) e contributi elastici della risposta del materiale allo stato congelato (e). (F), Un grafico della variazione relativa del modulo elastico per un campione P10L10 su cinque cicli di congelamento-scongelamento. (G), Il cambiamento nella rigidità di sal-gel rispetto ad altri materiali/dispositivi che cambiano la rigidità rispetto alla scala di lunghezza della connettività. Questi (con i rispettivi riferimenti chiave) includono polimeri a memoria di forma, nanocompositi sensibili agli stimoli, nanocompositi metallici tensioattivi, microcompositi PCM, metamateriali trasformabili, dispositivi basati sulla reologia, dispositivi basati su jamming, Strutture/dispositivi PCM e macchine a tendine28, 29. Le barre di errore rappresentano una deviazione standard (n ≥ 3) A DESTRA:Comportamento di cristallizzazione di sal-gel. (un), Immagini microscopiche e macroscopiche della crescita dei cristalli di sale in sal-gel da un singolo punto di nucleazione nel tempo. Le immagini all'estrema destra provengono dallo stesso campione con cristalli completamente rifusi. Ogni immagine microscopica corrisponde alle posizioni contrassegnate in rosso nelle fotografie macroscopiche. (B), Velocità di cristallizzazione per diversi campioni. La linea rossa tratteggiata evidenzia gli andamenti da L10 a L30 e da P10L10 a P10L30. (C), Frazione di sale congelato per diversi campioni. (D, e), Flusso di calore specifico ottenuto dalla calorimetria differenziale a scansione per diversi campioni con contenuto di liquido (acido acetico) (d) e polimero (e) distinto. Le barre di errore in (b) e (c) rappresentano una deviazione standard (n ≥ 3). Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
Dopo un'ulteriore caratterizzazione del materiale ibrido, gli scienziati hanno dimostrato che quando nella miscela era presente più acido acetico liquido, il sal-gel è diventato più morbido e meno elastico. Quando hanno ripetutamente congelato e scongelato il gel, non hanno osservato danni permanenti nella rete polimerica, sebbene il materiale diventasse più rigido con ripetuti cicli di gelo-disgelo.
Gli scienziati hanno quindi studiato il comportamento di cristallizzazione del sal-gel e hanno osservato che i cristalli in crescita spingono da parte la rete polimerica senza romperla o danneggiarla. L'idrato salino ha dimostrato comportamenti termici simili al congelamento dell'acqua negli idrogel, dove l'aggiunta di più polimero e diluente ha portato a una minore cristallizzazione. I comportamenti termici hanno indicato una forte stabilità del sal-gel con un sottoraffreddamento superiore a 150 gradi C.
Il sal-gel ha dimostrato un contatto di transizione da morbido a duro, autoadesione istantanea e robusta, accumulo di energia meccanica insieme alla capacità di formare costrutti intelligenti. Uno dei principali vantaggi del materiale ibrido era la sua natura autonoma, che ha permesso facilmente la produzione additiva. Come prova di principio, Yang et al. ha fabbricato un cetriolo di mare sintetico utilizzando scarabocchi tridimensionali fornendo una soluzione sal-gel non reticolata utilizzando una siringa per reticolare la soluzione in laboratorio utilizzando successivamente una sorgente di luce ultravioletta. La stampa risultante somigliava molto a un cetriolo di mare vivente nell'aspetto e nella meccanica, dove il derma passa da uno stato rigido trasparente morbido a uno opaco.
A SINISTRA:Applicazioni di sal-gel. (anno Domini), Dimostrazione del contatto di transizione da morbido a duro di sal-gel. Una sottile striscia di sal-gel non congelato (a, P10L10) viene abbassato a contatto con una pallina da golf (b) e quindi sollevato mentre il gel viene scongelato (c) o congelato (d). (per esempio), Dimostrazione dell'autoadesione istantanea e robusta del sal-gel. Una striscia di sal-gel non congelato (P10L10) viene premuta contro un sal-gel congelato (P10L10) che è stato avvolto attorno a un tappo di bottiglia (e); il gel scongelato aderisce al contatto per congelamento (f) ed è in grado di sollevare una bottiglia d'acqua del peso di circa 1,5 kg dopo che è completamente congelata (g). (h–m), Dimostrazione di salgel per l'accumulo di energia meccanica. Una striscia molto spessa di sal-gel non congelato (h, P10L10) viene prima compresso (i) e poi congelato (j) per immagazzinare energia meccanica. Viene quindi aggiunto un peso sopra il gel congelato (k). In riscaldamento, il gel solleva il peso (l), produrre lavoro. Alla rimozione del peso, il gel ritorna al suo spessore originale non compresso (m). (n-q), Dimostrazione di sal-gel per la formazione di costrutti intelligenti. Una striscia molto sottile di sal-gel non congelato (P10L10) è legata chimicamente a un pezzo piatto di gomma siliconica (n). Dopo aver allungato la gomma (o) e congelato il gel in situ (p), il pezzo piatto di gomma si curva su se stesso al rilascio di forze esterne (q). A DESTRA:Implicazioni pratiche di sal-gel. AC, Dimostrazione della lavorabilità del sal-gel per la produzione additiva fabbricando un cetriolo di mare sintetico tramite scarabocchi tridimensionali. d-g, Confronto qualitativo di un cetriolo di mare spinoso vivente (Pentacta anceps) (d) con il cetriolo di mare sal-gel a diversi angoli di visione (e-g). h, io, Fotografie del cetriolo di mare fabbricato ai due diversi stati solidi:uno stato molle trasparente e facilmente depresso (h) e uno stato rigido opaco e solido (i). j-m, Un orsetto gommoso sug-gel che incorpora più del 90% in peso di contenuto liquido di alcol zuccherino mostra lo stesso doppio comportamento meccanico del sal-gel (j, K); questo sistema è praticamente non evaporativo (l) e può ancora cristallizzare dopo un surriscaldamento prolungato (m). n, Modulo elastico del sal-gel congelato (blu) e fuso (arancione) in funzione della temperatura. (o), Illustrazione delle proprietà del materiale (P1-P12) di un materiale tipico con un singolo stato solido (S1) e materiali solidi due in uno con due stati solidi (S1 e S2) con condizioni ambientali (C1-C6). Notare il percorso di risposta non lineare delle proprietà del materiale consentito nei materiali due in uno rispetto al percorso di risposta lineare dei solidi tipici. Le barre di errore in n rappresentano una deviazione standard (n ≥ 3). Credito:materiali naturali, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
Hanno esteso il concetto di sal-gel ad altri materiali usando lo xilitolo dell'alcool di zucchero come PCM (materiale a cambiamento di fase). Usando l'alcool di zucchero, hanno preparato un orsetto gommoso zucchero-gel (sug-gel) con comportamenti a due stati solidi. Quando gli scienziati hanno surriscaldato il costrutto a 120 gradi C per accelerare l'evaporazione per una settimana, il volume dell'orso gommoso non è cambiato visibilmente ed è rimasto comunque capace di un comportamento a doppio stato.
Per tradurre sal-gel in applicazioni pratiche, Yang et al. dovrebbe risolvere due problemi tecnici relativi all'evaporazione e alla sensibilità, che ha influito sulla realizzazione del materiale. I problemi sono stati parzialmente risolti rivestendo il sal-gel con lubrificante per ottimizzarne e aumentarne la stabilità, mirano a progettare ulteriormente il materiale in futuro e a risolvere completamente la limitazione. Il team di ricerca ha anche aumentato la flessibilità nel design e la funzionalità nel solido due in uno, rispetto ai solidi normali con un singolo stato solido.
In questo modo, Fut (Kuo) Yang e collaboratori hanno strategicamente costruito una struttura solida all'interno di un sale fuso liquido funzionale, super raffreddato (acetato di sodio triidrato) formando una rete polimerica compatibile di acido poliacrilico per creare il materiale ibrido sal-gel. Le interazioni sinergiche dei materiali a livello molecolare hanno permesso a Yang et al. per sfruttare le proprietà del liquido ed esplorarne la transizione di fase e la metastabilità.
Il costrutto ibrido ha mostrato un comportamento insolito del materiale per passare da due stati solidi stabili con proprietà meccaniche variabili che potrebbero coesistere in condizioni ambientali simili. Gli stati di rigidità non richiedevano stimolazione continua, consentendo nuove funzionalità per applicazioni avanzate. Mentre il presente lavoro si è concentrato sulla trasformazione del liquido superraffreddato, Yang et al. prevede di estendere l'approccio ad altri liquidi con funzionalità diverse per diversificare la gamma di materiali commutabili meccanicamente.
© 2019 Scienza X Rete
