Zephyrnet-logo

Een vormveranderend materiaal op basis van anorganische materie

Datum:


30 nov 2020 (Nanowerk Nieuws) Door platen op titaniumbasis in water in te bedden, heeft een groep onder leiding van wetenschappers van het RIKEN Center for Emergent Matter Science een materiaal gemaakt met anorganische materialen dat kan worden omgezet van een harde gel in zachte materie door middel van temperatuurveranderingen. Sciencefiction bevat vaak anorganische levensvormen, maar in werkelijkheid zijn organismen en apparaten die reageren op prikkels zoals temperatuurveranderingen bijna altijd gebaseerd op organische materialen, en daarom heeft onderzoek op het gebied van 'adaptieve materialen' zich bijna uitsluitend gericht op organische stoffen. . Het gebruik van anorganische materialen zoals metalen heeft echter voordelen, waaronder mogelijk betere mechanische eigenschappen. Met het oog hierop besloot de door RIKEN geleide groep te proberen het gedrag van organische hydrogels na te bootsen, maar met behulp van anorganische materialen. De inspiratie voor het materiaal komt van een waterdier dat zeekomkommer wordt genoemd. Zeekomkommers zijn fascinerende dieren, verwant aan zeesterren (maar niet aan komkommers!) Die het vermogen hebben om hun huid van een harde laag in een soort gelei te veranderen, waardoor ze hun inwendige organen kunnen weggooien - die uiteindelijk weer teruggroeien - om te ontsnappen van roofdieren. In het geval van de zeekomkommers veroorzaken chemicaliën die vrijkomen door hun zenuwstelsel de verandering in de configuratie van een eiwitsteiger, waardoor de verandering ontstaat. Om het te halen, experimenteerden de onderzoekers met het rangschikken van nanobladen - in dit geval dunne bladen van titaniumoxide - in water, waarbij de nanobladen 14 procent en water 86 procent van het materiaal uitmaken. schematische illustratie van unilamellair titanaat nanoblad a Een schematische illustratie van unilamellair titanaat (IV) nanoblad (TiNS). Tegenstellingen zijn ter verduidelijking weggelaten. Open vierkant geeft leegstaande sites aan. b – g Schematische illustraties van de hydrogel van TiNS (TiNS-Gel) in een afstotingsdominante toestand (TiNS-GelStoot af; b – d) en een attractie-dominante toestand (TiNS-GelVergroot de kans op extra; e – g). Wanneer de elektrostatische afstoting tussen TiNS'en in een waterige dispersie sterk genoeg is, assembleren TiNS'en zichzelf spontaan tot een lamellaire architectuur met lange periodiciteit (c) waarin hun mobiliteit wederzijds beperkt is (d). Als resultaat kan hun waterige dispersie een gelachtig gedrag vertonen, aangeduid als TiNS-GelStoot af. Wanneer TiNS-GelStoot af wordt verwarmd tot boven een kritische temperatuur, wordt de elektrostatische afstoting zwakker dan de concurrerende van der Waals-attractie, zodat TiNS'en abrupt stevig opstapelen (g) om een ​​onderling verbonden 3D-netwerk te vormen dat grote hoeveelheden water kan bevatten (f), aangeduid als TiNS- GelVergroot de kans op extra. Vanwege het grote verschil in de topologie van de interne structuur tussen TiNS-GelStoot af en TiNS-GelVergroot de kans op extragaat deze gel-naar-gel-overgang gepaard met drastische veranderingen in de optische en mechanische eigenschappen. (© Nature Communications) (klik op de afbeelding om te vergroten) Volgens Koki Sano van RIKEN CEMS, de eerste auteur van het artikel (Nature Communications, "Een mechanisch adaptieve hydrogel met een herconfigureerbaar netwerk dat volledig bestaat uit anorganische nanobladen en water"), “De sleutel tot het feit of een materiaal een zachte hydrogel of een hardere gel is, is gebaseerd op de balans tussen aantrekkelijke en afstotende krachten tussen de nanobladen. Als de afstotende krachten domineren, is het zachter, maar als de aantrekkelijke krachten sterk zijn, raken de vellen opgesloten in een driedimensionaal netwerk en kan het herschikken tot een hardere gel. Door fijn afgestemde elektrostatische afstoting te gebruiken, hebben we geprobeerd een gel te maken waarvan de eigenschappen zouden veranderen afhankelijk van de temperatuur. " De groep slaagde hier uiteindelijk in en ontdekte dat het materiaal veranderde van een zachtere door afstoting gedomineerde toestand naar een hardere door aantrekkingskracht gedomineerde toestand bij een temperatuur van ongeveer 55 graden Celsius. Ze ontdekten ook dat ze het proces herhaaldelijk konden herhalen zonder significante verslechtering. “Wat fascinerend was”, vervolgt hij, “is dat dit transitieproces binnen twee seconden is afgerond, ook al vergt het een grote structurele herschikking. Deze overgang gaat gepaard met een 23-voudige verandering in de mechanische elasticiteit van de gel, die doet denken aan zeekomkommers. " Om het materiaal bruikbaarder te maken, doopten ze het vervolgens met gouden nanodeeltjes die licht in warmte konden omzetten, waardoor ze laserlicht op het materiaal konden laten schijnen om het op te warmen en de structuur te veranderen. Volgens Yasuhiro Ishida van RIKEN CEMS, een van de corresponderende auteurs van het artikel, “is dit echt opwindend werk omdat het de reikwijdte van de stof enorm opent die kan worden gebruikt in adaptieve materialen van de volgende generatie, en het ons misschien zelfs in staat stelt om een vorm van 'anorganisch leven'. "

Bron: https://feeds.nanowerk.com/~/639407215/0/nanowerk/agwb~A-shapeshifting-material-based-on-inorganic-matter.php

spot_img

Laatste intelligentie

spot_img