Các nhà nghiên cứu tạo ra vật liệu chuyển từ mềm sang cứng khi tiếp xúc với ánh sáng

Lấy cảm hứng từ những sinh vật sống, chất liệu độc đáo có độ bền gấp 10 lần cao su tự nhiên.
Các nhà nghiên cứu tạo ra vật liệu chuyển từ mềm sang cứng khi tiếp xúc với ánh sáng
Cấu trúc của vật liệu nano lục giác nhân tạo. Nguồn: iStock / selimcan

Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu chỉ sử dụng ánh sáng và chất xúc tác để thay đổi các đặc tính như độ cứng và độ đàn hồi trong các phân tử cùng loại, theo một nghiên cứu mới được công bố ngày 13/10 trên tạp chí Science. Lấy cảm hứng từ những sinh vật sống như cây cối và động vật có vỏ, nhóm đã tạo ra một loại vật liệu độc đáo có độ bền gấp 10 lần cao su tự nhiên và có thể dẫn đến các thiết bị điện tử và robot linh hoạt hơn.

Khả năng kiểm soát các đặc tính vật lý của vật liệu sử dụng ánh sáng làm tác nhân kích hoạt có khả năng biến đổi
“Đây là vật liệu đầu tiên thuộc loại này”, GS Zachariah Page, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết trong một thông cáo báo chí. "Khả năng kiểm soát sự kết tinh, và do đó các đặc tính vật lý của vật liệu, với ứng dụng của ánh sáng có khả năng biến đổi đối với thiết bị điện tử đeo được hoặc thiết bị truyền động trong robot mềm".

Trong một thời gian dài, các nhà khoa học đã nghiên cứu để tạo ra các vật liệu tổng hợp mô phỏng các đặc điểm của cấu trúc sống như da và cơ. Cấu trúc trong các sinh vật sống dễ dàng kết hợp các phẩm chất như sức mạnh và tính linh hoạt. Tuy nhiên, khi sử dụng sự kết hợp của các vật liệu tổng hợp đa dạng để mô phỏng các đặc tính này trong phòng thí nghiệm, các vật liệu này thường không đạt yêu cầu, tức là phân hủy khi các vật liệu khác nhau gặp nhau.

"Thông thường, khi mang các vật liệu lại với nhau, đặc biệt nếu chúng có các tính chất cơ học rất khác nhau, chúng sẽ muốn tách rời ra", Page nói. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng ánh sáng để thay đổi độ cứng hoặc đàn hồi của vật liệu, Page và các đồng nghiệp của ông có thể điều chỉnh và sửa đổi cấu trúc của một vật liệu tương tự như nhựa.

Một vật liệu cứng hơn đã được phát triển khi ánh sáng chạm vào nó
Trong chiến lược khác biệt này, các nhà hóa học đã bắt đầu với một monome. Nói một cách đơn giản, phân tử đơn này tạo thành các cấu trúc lớn hơn được gọi là polyme bằng cách liên kết với các phân tử khác giống hệt nó, giống như polyme trong nhựa được sử dụng rộng rãi nhất.

Sau khi thử nghiệm hàng tá chất xúc tác, họ phát hiện ra một chất tạo ra polyme 'bán tinh thể' giống với chất trong cao su tổng hợp khi kết hợp với monome của chúng và tiếp xúc với ánh sáng nhìn thấy. Đáng chú ý, một vật liệu cứng hơn đã được phát triển ở nơi ánh sáng chạm vào nó, trong khi các phần không được chiếu sáng vẫn giữ được đặc tính mềm, dễ uốn của chúng. Chất này mạnh hơn và có thể kéo dài hơn so với các vật liệu hỗn hợp khác vì nó được tạo thành từ một vật liệu duy nhất với các đặc tính riêng biệt.

Tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường
Monome và chất xúc tác có sẵn trên thị trường, với phản ứng xảy ra ở nhiệt độ môi trường. Ngoài ra, nguồn sáng của thí nghiệm là đèn LED màu xanh lam, loại đèn này không đắt. Các nhà nghiên cứu khẳng định phản ứng này sử dụng tối thiểu chất thải nguy hại và chỉ mất chưa đến một giờ, giúp quy trình nhanh chóng, giá cả phải chăng, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.

Trong lĩnh vực chế tạo người máy, ưu tiên sử dụng các vật liệu đàn hồi và mạnh mẽ để tăng cường chuyển động và độ bền. Theo nhóm nghiên cứu, vật liệu này có thể được sử dụng như một nền tảng linh hoạt để bảo vệ các thành phần điện tử trong các thiết bị y tế hoặc thiết bị đeo được. Trong chế tạo robot, cả vật liệu đàn hồi và bền đều được ưa chuộng hơn để cải thiện chuyển động và độ bền, do đó có tiềm năng sử dụng vật liệu mới trong ngành này.

Để xác thực thêm công dụng của vật liệu, các nhà nghiên cứu tiếp theo sẽ cố gắng tạo ra nhiều vật thể hơn bằng cách sử dụng chất này. Tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại UT Austin, Adrian Rylski, cho biết "Chúng tôi đang mong muốn khám phá các phương pháp ứng dụng hóa học này để tạo ra các vật thể 3D có chứa cả thành phần cứng và mềm".

Nhựt Thanh
Theo Interesting engineering
CÙNG CHUYÊN MỤC
ĐỌC THÊM