Daireleri Karelere Dönüştürmek: Araştırmacılar Mikro Ölçekte Malzeme Topolojisini Yeniden Yapılandırıyor
Tarafından
Yeniden yapılandırılabilir malzemeler harika şeyler yapabilir. Düz levhalar bir yüze dönüşür. Ekstrüde edilmiş bir küp, düzinelerce farklı şekle dönüşür. Ancak, yeniden yapılandırılabilir bir malzemenin henüz değiştiremeyeceği bir şey var: altta yatan topolojisi. 100 hücreli yeniden yapılandırılabilir bir malzeme, bu hücreler gerilmiş veya ezilmiş olsa bile her zaman 100 hücreye sahip olacaktır.
Şimdi, Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndan (SEAS) araştırmacılar, hücresel bir malzemenin temel topolojisini mikro ölçekte değiştirmek için bir yöntem geliştirdiler. Araştırma şurada yayınlandı: Doğa.
Amy Smith Berylson Malzeme Bilimi Profesörü Joanna Aizenberg, “Topolojilerini dinamik olarak değiştirebilen hücresel yapılar oluşturmak, bilgi şifreleme, seçici parçacık yakalama ve ayrıca ayarlanabilir mekanik, kimyasal ve akustik özelliklere sahip aktif materyaller geliştirmede yeni fırsatlar sunacak” dedi. SEAS’ta Kimya ve Kimyasal Biyoloji Profesörü ve makalenin kıdemli yazarı.
Araştırmacılar, ıslandığında saçlarımızı bir araya toplayan aynı fiziği kullandılar – kılcal kuvvet. Kılcal kuvvet, saçımız gibi yumuşak, uyumlu malzeme üzerinde iyi çalışır, ancak duvarların bükülmesini, gerilmesini veya katlanmasını gerektiren katı hücresel yapılarla, özellikle de güçlü, bağlantılı düğümlerin etrafında mücadele eder. Kılcal kuvvet de geçicidir ve malzemeler kuruduktan sonra orijinal konfigürasyonlarına dönme eğilimindedir.
Araştırmacılar, katı hücresel mikro yapıların topolojisini dönüştürmek için uzun süreli ancak tersine çevrilebilir bir yöntem geliştirmek için iki katmanlı bir dinamik strateji geliştirdiler. Üçgen bir kafes topolojisine sahip sert, polimerik bir hücresel mikro yapı ile başladılar ve onu, polimeri moleküler ölçekte şişirmek ve yumuşatmak için seçilen uçucu bir çözücünün damlacıklarına maruz bıraktılar. Bu, malzemeyi geçici olarak daha esnek hale getirdi ve bu esnek durumda, buharlaşan sıvının uyguladığı kılcal kuvvetler, üçgenlerin kenarlarını birbirine çekerek birbirleriyle olan bağlantılarını değiştirerek altıgenlere dönüştürdü. Ardından, çözücü hızla buharlaştıkça malzeme kurudu ve yeni konfigürasyonunda sıkışıp sertliğini yeniden kazandı. Tüm süreç birkaç saniye sürdü.
Aizenberg Laboratuvarı’nda yüksek lisans öğrencisi ve makalenin ilk yazarlarından Shucong Li, “Uygulamaları düşündüğünüzde, dönüşüm sürecinden sonra bir malzemenin mekanik özelliklerini kaybetmemek gerçekten önemlidir” dedi. “Burada, sert bir malzemeyle başlayıp, yeniden yapılandırma aşamasında geçici olarak yumuşatma süreciyle sert bir malzemeyle bitirebileceğimizi gösterdik.”
Malzemenin yeni topolojisi o kadar dayanıklıdır ki, ısıya dayanabilir veya günlerce sökülmeden bazı sıvılara daldırılabilir. Sağlamlığı, dönüşümü tersine çevrilebilir hale getirmeyi uman araştırmacılar için aslında bir sorun teşkil ediyordu.
Orijinal topolojiye dönmek için araştırmacılar iki sıvıyı birleştiren bir teknik geliştirdiler. Birincisi, altıgenlerin yapıştırılmış duvarlarını soyan ve kafesin orijinal üçgen yapısına geri dönmesini sağlayan kafesi geçici olarak şişirir. İkinci, daha az uçucu sıvı, ilk sıvı buharlaşana ve malzeme sertliğini geri kazanana kadar kılcal kuvvetlerin ortaya çıkmasını geciktirir. Bu şekilde, yapılar tekrar tekrar monte edilebilir ve demonte edilebilir ve herhangi bir aradaki konfigürasyona hapsolabilir.
Makalenin ilk yazarı ve laboratuvarda yüksek lisans öğrencisi olan Bolei Deng, “Rastgele kafeslere yaklaşımımızı genişletmek için, hücresel geometrileri, malzeme sertliğini ve kılcal kuvvetleri birbirine bağlayan genelleştirilmiş bir teorik model geliştirmek önemliydi” dedi. SEAS’ta William ve Ami Kuan Danoff Uygulamalı Mekanik Profesörü Katia Bertoldi.
Bu model tarafından yönlendirilen araştırmacılar, çeşitli kafes geometrilerinin ve bir daire kafesini karelere dönüştürmek de dahil olmak üzere duyarlı malzemelerin programlanmış tersinir topolojik dönüşümlerini gösterdiler.
Araştırmacılar, çalışma için çeşitli uygulamaları araştırdı. Örneğin ekip, üçgen kafesin geometrisinde küçük, görünmez ince ayarlar yaparak desenleri ve tasarımları malzemeye kodladı.
Li, “Bunun gelecekte bilgi şifreleme için kullanıldığını hayal edebilirsiniz, çünkü malzeme birleştirilmemiş durumdayken malzemedeki deseni göremezsiniz,” dedi.
Araştırmacılar ayrıca, küçük bir sıvı damlası ile kafesin bölgelerini birleştirerek ve sökerek oldukça yerel dönüşüm gösterdiler. Bu yöntem, bir malzemenin sürtünme ve ıslatma özelliklerini ayarlamak, akustik özelliklerini ve mekanik esnekliğini değiştirmek ve hatta partikülleri ve gaz kabarcıklarını yakalamak için kullanılabilir.
Aynı zamanda makalenin ortak yazarı olan Bertoldi, “Stratejimiz bir dizi uygulamaya uygulanabilir” dedi. “Bu yöntemi, duyarlı malzemeler, farklı geometriler ve farklı ölçekler dahil olmak üzere farklı malzemelere, hatta topolojinin ayarlanabilir fotonik meta yüzeylerin tasarlanmasında önemli bir rol oynadığı nano ölçekte bile uygulayabiliriz. Bunun için tasarım alanı çok büyük.”
Referans: Shucong Li, Bolei Deng, Alison Grinthal, Alyssha Schneider-Yamamura, Jinliang Kang, Reese S. Martens, Cathy T. Zhang, Jian Li, Siqin Yu, Katia Bertoldi ve Joanna tarafından “Sücresel mikro yapıların sıvı kaynaklı topolojik dönüşümleri” Aizenberg, 14 Nisan 2021, Doğa.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03404-7
Bu araştırma, Alison Grinthal, Alyssha Schneider-Yamamura, Jinliang Kang, Reese S. Martens, Cathy T. Zhang, Jian Li ve Siqin Yu tarafından ortaklaşa yazılmıştır.
Ulusal Bilim Vakfı tarafından, Geleceğimizi Değiştirmek ve Tasarlamak için Malzeme Tasarlama (DMREF) programı aracılığıyla, No. DMR-1922321, Harvard Üniversitesi Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendisliği Merkezi (MRSEC), ödül no. DMR-18 2011754 ve ABD Enerji Bakanlığı (DOE), Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimleri (BES) tarafından DE-SC0005247 ödül numarasıyla.
.
Gelişmelerden zamanında haberdar olmak için Google News’te Bilim Portal’a ABONE OLUN