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像魔毯一样神奇,新型智能材料能够在光热刺激下改变自身形状

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华盛顿州立大学科研人员近期研发出一种智能材料,可在光或热的刺激下改变自身形状。他们已经提交了该材料的专利申请。

研究人员称,该材料是第一种集形状记忆、光敏形变和损伤自愈功能于一身的材料。相关论文已经在《美国科学院应用材料与界面(ACS Applied Materials & Interfaces)》杂志上发表。

华盛顿州立大学机械和材料工程系教授米切尔·凯斯勒(Michael Kessler)、该系研发科学家李玉占(音译,Yuzhan Li)和橡树岭国家实验室研究员奥兰多·瑞奥(Orlando Rio)共同领导了该材料的研发工作。

多种功能集于一身

看上去就像魔毯一样神奇,智能材料能够对诸如光和热之类的外界刺激做出伸缩反应。这种材料有广阔的应用前景,可用来制造机器的运动部件、药物载体(注1)和自组装设备。

注1:药物载体:包裹药物,保护药物不过早被体液破坏,并控制药物以一定速度释放到血液中的物质。

例如,航天器的太阳能电池板面积很大,因此在地面待发射时必须处于折叠状态,进入太空后才能展开。

传统上,展开太阳能电池板需要电力驱动的机械结构。若用光伸展材料制造航天器太阳能电池板,则可省去机电结构,当航天器受太阳光照射后,太阳能电池板即可自动展开。

之前,智能材料没有大规模推广,因为制造困难并且功能太单一。研究人员一直在努力改进智能材料。

华盛顿州立大学研发的这种新型智能材料可以同时执行多种功能,日后还有增加更多功能的潜力。

开合、形状记忆和损伤自愈

研究团队采用了一种被称为液晶网络(iquidcrystalline networks)的长分子链材料做基底,这是一种各向异性材料(注2)。研究人员利用液晶网络材料在受热时变形的特点,将其制成具有三维形变功能的材料。他们向基底中添加了其他分子,使得材料可以对偏振光做出反应。此外,研究人员还用化学处理手段来提高材料的自愈能力。

注2: 各向异性:假定你位于一个超大型材料块的中央。你从中央出发,走向一个方向。在这个方向上,材料的分子和原子排列服从某种规律。然后你回到中央,走向另一个方向,在这个方向上,材料的分子和原子排列服从另外一种不同的规律。这种材料就称为各项异性材料。如果从中央出发,不论你朝哪个方向走,材料的分子和原子排列都服从相同的规律,那么该材料称为各项同性材料。举一个简单的例子说明各项同性材料和各项异性材料的特性差异。天然水晶和人造水晶都是由二氧化硅构成的,但前者为各项异性材料,后者为各项同性材料。在纸上画1条线,透过足够大的天然水晶(小了不行),观察者可以看到2条平行线。但无论透过多大的人造水晶,观察者都只能看到1条线。这种现象称为天然水晶的双折射。

凯斯勒称:“热形变、光形变和自愈三种特性,之前的材料最多只能具备一种。我们将三种功能融合在一种材料中。”

在光或热的刺激下,最终的复合材料将展开成另外一种形状,并在刺激消失后变回原状(形状记忆功能),并可以在受到损伤后自我修复。

例如,用剃刀片在材料块上割开一个口子,然后用紫外光照射该材料,则该缺口可以自行修复。该材料的形变方式还可以自行设定。

橡树岭国家实验室纳米相材料科学中心的科学家对该材料的特性做了详尽的分析。

该材料的研究工作是华盛顿州立大学“重大挑战”计划的一部分。“重大挑战”在多个方面进行创新研究,旨在产生具有重大社会效应的研究成果。

智能材料的研究工作对智能系统的研究工作有重要意义。

原创文章,作者:DeepTech深科技,如若转载,请注明出处:http://www.zgsmx.cn/4766.html

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