2019-08-08 01:44:01
一种混合材料可在两种稳定的固态之间可逆地切换

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固体物质通常包含针对特定条件的单一稳定固态。材料科学家设想具有可互换固态的新材料将有利于各种技术应用。在现在发表在Nature Materials上的一份新报告中,Fut(Kuo)Yang及其在加拿大和中国的化学工程,生物工程和生物技术的跨学科部门的同事描述了二合一混合材料的开发。

他们用浸有过冷盐溶液的聚合物组成材料,称为“盐凝胶”。该材料在不同温度(-90℃至58℃)和压力下呈现两种不同但稳定且可逆的固态。当科学家们激发成核时,材料从一种透明,柔软的固体转变为白色硬状态,比原始硬度高104倍(15 kPa对385 MPa)。他们通过瞬态加热将硬固体转变回软稠度,以证明转变的可逆性。该研究探讨了液态稳态物理亚稳态的概念和Yang等人。将工作扩展到糖醇,形成刺激响应和非蒸发“糖凝胶”。这种二合一混合材料将用于软机器人和粘合剂应用。

改变刚度的材料为工程师提供了矛盾的形状适应性和承载能力,这对于包括软机器人,粘合剂/粘合剂和航空在内的各种技术领域非常重要。然而,维持这种智能材料的机械响应受到外部刺激的要求的限制。创建二合一固体的解决方案是探索这种材料的机械或结构亚稳定性。这是通过折纸或基里加米启发的超材料观察到的,这些超材料可以通过拓扑状态的变化来改变它们的刚度。

为了获得双稳态,潜在的机制必须在两者之间形成能量障碍,其中每个状态都以能量最小值休息。例如,液体结晶可满足该要求,其中液体最初需要形成足够大的晶体原子或分子簇。然后,转变结晶相的自由能增益必须克服在液体和晶体之间形成界面的自由能成本。科学家们可以通过二次成核(从现有晶体形成新晶体)诱导自组装,从而进行液晶转换,并利用热量进行晶体到液体转换,从而克服界面之间的能量障碍。对于具有纯固体的相变,该方法相对更困难,其中结晶相和非结晶相都是固体。

作为一种示例材料,三水合乙酸钠是一种相变材料(PCM),通常称为“热冰”,因为它在冷冻过程中释放热量,具有众所周知的过冷能力。虽然固体的熔点为58摄氏度。在室温下,它可以作为过冷液体保持稳定多年,应用于季节性储能.Yang等人通过使用相容的聚合物网络提供固体醋酸钠三水合物另外的固体形式,以产生可印刷和轻质混合材料称为sal-gel。该材料可以互换地切换其有效刚度,无需外部刺激,使科学家能够充分利用盐的相变和亚稳态。

混合材料在熔化时转变成橡胶状形式,用于按需形状固定,刚度变化大于104倍。与先前开发的刚度改变材料相比,该特征对于“二合一”固体是非常期望的。新材料与不断增长的性能相关,以实现小型化和提高多功能材料的性能密度。

科学家通过将熔融的三水合乙酸钠与聚(丙烯酸)的聚合物前体和乙酸与水的液体混合物混合来制备盐凝胶。所得凝胶混合物保持透明,表明成分彼此可混溶。所得凝胶具有两种固态;透明的柔软状态和不透明的刚性状态,抵抗变形。科学家通过触摸三水合乙酸钠晶种,通过二次成核将盐凝胶从其软态转变为刚性态。在与晶种接触时,立即发生成核以使结晶从整个材料的接触点开始。

为了进行实验,杨等人。使用木棍,尖端有少量细小的水晶灰尘。由于这种现象起源于样品表面,因此它们呈现出双重原因;首先,由于表面积减小,成核的自由能成本在凝胶表面大大降低。此后,在接触时,表面经历了大量的动能。只要凝胶保持润滑,科学家就可以防止不必要的结晶。杨等人。通过将盐凝胶加热到熔点以上,将盐凝胶转变为柔软状态,并根据需要使用这些特性来固定凝胶的形状。他们通过控制凝胶的聚合物含量来调节冷冻状态的物理性质,以承受变形并在应力释放时恢复其固定形状。

研究小组使用压痕测试了在相似环境下盐凝胶系统的两种状态的机械行为。他们比较了熔化和冷冻的盐凝胶,其中在冷冻状态下形成可见的塑性变形,其在熔化后消失。使用测量杨等人。两个州之间的僵硬度显示出显着变化。尽管冷冻的盐凝胶是硬的,但与不含聚合物的冷冻盐对照相比,它对于没有开裂的压痕而言更不易碎。

在对杂化材料进行进一步表征后,科学家们表明,当混合物中存在更多的乙酸液体时,盐凝胶变得更柔软,弹性更小。当它们反复冻结和解冻凝胶时,它们在聚合物网络中没有观察到持久的损坏,尽管材料在反复冻融循环时变得更硬。

然后,科学家们研究了盐凝胶的结晶行为,并观察到生长的晶体将聚合物网络推开,而不会破坏或破坏网络。盐水合物表现出类似于水凝胶中水冻结的热行为,其中添加更多的聚合物和稀释剂导致更少的结晶。热行为表明盐凝胶具有较强的稳定性,过冷度大于150℃。

sal-gel表现出软到硬的过渡接触,即时和强大的自粘性,机械能储存以及形成智能结构的能力。混合材料的主要优点是其独立的性质,其容易地允许添加剂制造。作为一个原理论证,杨等人。通过使用注射器递送未交联的盐凝胶溶液以使用紫外光源在实验室中交联溶液,使用三维涂鸦制造合成海参。由此产生的印花在外观和力学上非常类似于活海参,其中真皮在透明的柔软和不透明的刚性状态之间切换。

他们使用糖醇木糖醇作为PCM(相变材料)将sal凝胶的概念扩展到其他材料。他们使用糖醇制备了一种具有双固态行为的糖凝胶(sug凝胶)软糖熊。当科学家将构造物过热至120摄氏度以加速蒸发一周时,小熊的体积没有明显变化,仍然能够保持双态行为。

为了将sal-gel转化为实际应用,Yang等人。应解决与蒸发和敏感性相关的两个技术问题,这些问题影响了材料的实施。通过在硅胶上涂上润滑剂以优化和提高其稳定性,部分解决了这些问题,他们的目标是在未来进一步设计材料并完全解决限制。与具有单一固态的普通固体相比,研究团队还提高了二合一固体的设计和功能灵活性。

通过这种方式,Fut(Kuo)Yang及其同事通过形成聚(丙烯酸)的相容聚合物网络,在功能性液体 - 过冷熔盐(三水合乙酸钠)内战略性地构建了一个固体框架,从而形成了混合材料sal-凝胶。在分子水平上材料的协同相互作用允许Yang等人。利用液体特性并探索其相变和亚稳态。

混合构造显示出不寻常的材料行为以在两种稳定的固态之间切换,其具有可在相似的环境条件下共存的不同机械性质。刚度状态不需要连续刺激,为高级应用提供了新功能。虽然目前的工作重点是过冷液体的转化,但Yang等人。期望将方法扩展到具有不同功能的其他液体,以使机械可切换材料的范围多样化。

人类科学
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