"Myślące" polimery

© European Coating

Udostępnij:

Określenie „sztuczna inteligencja” na dobre zadomowiło się w naszym języku. Natomiast pojęcie „inteligentne materiały” (w szczególności „inteligentne polimery”) może dziwić. A jednak większość z nas miała już z nimi do czynienia, co więcej: wielu z nas używa ich na co dzień! Okulary fotochromowe są ich najlepszym przykładem. Fotochromizm polega na zmianie koloru materiału pod wpływem światła. Jego podstawę fizyczną stanowi przemiana fazowa materiału pod wpływem zaabsorbowanego promieniowania. W konsekwencji w danym materiale zmienia się także współczynnik załamania, jego stała dielektryczna i stała absorbcji.

Inteligentne polimery to podgrupa inteligentnych materiałów, czyli takich, które same w sobie łączą funkcjonalność pomiaru i odpowiedzi na niego. To znaczy, że na określone bodźce odpowiadają w pożądany i zaprojektowany sposób. Do najbardziej typowych bodźców należą: temperatura, wilgotność, pH, zmiana natężenia i długości światła czy pole elektromagnetyczne. We wspomnianych okularach fotochromowych zmiana natężenia światła (bodziec) zmienia transparentność szkieł (odpowiedź materiału). Można powiedzieć, że szkło równocześnie „wykonuje pomiar” natężenia światła i zmienia swoje właściwości w wyniku pomiaru. Podobnie działają przyciemniane lusterka w samochodach: pod wpływem pola elektrycznego można zmienić ich transparentność (elektrochromizm). Aby to uzyskać, zazwyczaj powleka się je inteligentnym, elektrochromowym polimerem.



Innym przykładem inteligentnych polimerów są polimery elektrostrykcyjne, czyli takie które odkształcają się przy przyłożonym polu elektrycznym. Wyróżnia się polimery elektrostrykcyjne jonowe i elektronowe. Jonowe cechuje to, że nie wymagają wysokiego napięcia, aby uzyskać stosunkowo duże odkształcenie. Jednak do prawidłowego działania wymagają wilgotności, ponieważ działają na zasadzie dyfuzji jonów. Dlatego zamyka się je w szczelnych opakowaniach. Ponadto zbyt duże napięcia mogą je uszkodzić, ponieważ dochodzi do elektrolizy. W przeciwieństwie do nich polimery elektronowe nie wymagają powłok ochronnych, bo przewodzą prąd elektronowy, jednak potrzebują przyłożenia pola elektrycznego, czyli w praktyce wysokich napięć.  

Pamięć kształtu i samonaprawa
Spore zainteresowanie budzą polimery z pamięcią kształtu, czyli materiały mające zdolność powracania do zaprogramowanego kształtu po odkształceniu. Powrót do pierwotnej postaci zazwyczaj jest wywołany przyłożeniem odpowiedniej temperatury, ale może być to też pole elektryczne, magnetyczne lub światło. Czasami tego typu polimery są nawet zdolne do utrzymania dwóch czy trzech kształtów.

Mają niższą gęstość w stosunku do stopów z pamięcią kształtu (w stopach występuje przemiana fazowa, która jest odpowiedzialna za pamięć) i łatwiej modyfikować je do potencjalnych celów. W robotyce często stosuje się je jako materiał do warstwy miękkiej w uchwytach. W budownictwie wykorzystuje się rozszerzające się pianki do izolacji okien. Polimery z pamięcią kształtu znajdują także swoje zastosowanie w przemyśle tekstylnym, a potencjalne zastosowanie w zderzakach samochodów budzi spore zainteresowanie, wszak każdy chciałby mieć zderzaki, które odkształcone po ogrzaniu wrócą do pierwotnego kształtu, w ten sposób można na przykład zrealizować samonaprawiający się plastik. Amerykańska DARPA (Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności) pracuje nad samolotem, który zmieniałby swój kształt w powietrzu dzięki tego typu materiałom.

Inżynierowie z Technicznego Uniwersytetu w Karlsruhe wraz z Evonik Industries wytworzyli polimer, który szybko potrafi się naprawić w każdym czasie pod wpływem inicjującego bodźca: światła, ciepła lub kontaktu z określoną substancją chemiczną. Do naprawy nie potrzeba katalizatorów czy dodatkowych materiałów. W ciągu 5 minut w temperaturze 50-120°C taka polimerowa sieć (tak naukowcy opisują tę strukturę) naprawia się, wracając do poprzedniego kształtu. Co więcej, jej właściwości mechaniczne pozostają niezmienione, a nawet poprawiają się wyniku pierwszej naprawy – jak wskazały testy.

Niektóre polimery idą jeszcze krok dalej – poza pamięcią kształtu tworzą struktury samonaprawiające się. W 2013 roku naukowcy z Hiszpanii zaprezentowali pierwszy elastomer (czyli polimer podobny do gumy), który potrafi się sam naprawić bez działania zewnętrznego czynnika. Elastomer złączył się z powrotem w jedną całość po przecięciu go na pół żyletką. „Terminator” – bo tak został nazwany ten materiał – opiera się na reakcji aromatycznych siarczków, aktywnych w temperaturze pokojowej. Sieć elastomerowa przypomina rzepy i wykazuje wydajność regeneracji powyżej 90% w ciągu dwóch godzin. Ponadto jest odporna na rozciąganie. Dodatkowy atut stanowi możliwość odlewania tego typu elastomeru.

Polimery mogą też dobrze współpracować z innymi materiałami, dając nowe rozwiązania. Dobry przykład to białko jedwabiu, fibroina, która umożliwia ochronę biomolekuł w taki sposób, że można je drukować w dobrze opanowanej technologii druku atramentowego. Fibroina pełni w tym przypadku funkcję kokonu. To odkrycie pozwoli na rozwój inteligentnych biosensorów rozprowadzanych w roztworze jedwabiu. Inżynierowie z Tufts zaprezentowali rękawiczki wskazujące, że są skażone: po kontakcie z bakteriami E.Coli napis, który na nich wydrukowano, zmienił kolor. Wykorzystano do tego PDA – polidiacetylen rozpuszczony w roztworze jedwabiu. Technologia ta może być w przyszłości użyta do produkcji inteligentnych bandaży, które będą potrafiły leczyć skomplikowane zranienia.

Kolejny innowacyjny pomysł to pokrycie szklanych kapilar polimerowym hydrożelem, co drastycznie zmienia sposób, w jaki siły kapilarne wciągają wodę do małych struktur. Siły kapilarne to takie, które wciągają wodę i płyny do rurek, słomek czy ręczników papierowych. W rurkach pokrytych hydrożelem to się zmienia. Proces wygląda tak, że roztwory wodne są wciągane do rurki, blokują się i znowu są wciągane. Ten proces się powtarza. Dzięki temu woda propaguje z prawie stałą prędkością i napełnienie kapilary może być znacznie szybsze. Zastosowanie pokrycia inteligentnym polimerem mogłoby pozwolić na sterowanie przepływem cieczy: polimer powyżej temperatury przejściowej przestanie absorbować i nowe zachowanie zaniknie. W ten sposób, wykorzystując temperaturę, można sterować przepływem cieczy w kapilarze. Taki przyrząd nadawałby się do sterowania reakcjami chemicznymi i do precyzyjnego dozowania leków.



Jak żywa tkanka
Co może przynieść przyszłość inteligentnych polimerów? Naukowcy z Cambridge połączyli funkcje polimerów w jeden inteligentny materiał przypominający żywą tkankę, bo ma zdolność poruszania, pamięci ruchu i sensoryczności. Ten wynalazek ma sprawić, że w przyszłości roboty będą bardziej efektywne, a wręcz zastąpią urządzenia samym materiałem. Jak udało się stworzyć taki hybrydowy inteligentny polimer? Osiągnięto to poprzez złączenie różnych funkcji w nanoskali bez łączenia samych materiałów składowych. Przerwy między pojedynczymi elementami są tak małe, że całość reaguje jednolicie i wypełnia zadania pojedynczych komponentów. Komponenty syntezuje się oddzielnie, a potem łączy sekwencyjnie. Dr Stoyan Smoukov, materiałoznawca z Cambridge, podkreśla, że odkrycie to wynik myślenia o funkcjach materiałów, a nie o ich strukturze. Po raz pierwszy zaprezentowano materiał inteligentny mający dwie różne funkcje. Jedna z nich wykonywana jest przez jonowo aktywny polimer (i-EAP), który zgina się i pęcznieje pod przyłożonym napięciem (funkcjonalność wykorzystywana często przez miękką robotykę), a druga – przez polimer z pamięcią kształtu (SMP) przyrównywany w swojej funkcjonalności do pamięci mięśnia. Połączony materiał znany jest jako przemieszane sieci (inter penetrated network – IPN). Komponenty przenikają się w nanoskali, dzięki czemu istnieją nieprzerwane ścieżki z jednego materiału, które łączą oba końce próbki. Z drugiej strony łączenia – granice faz – też istnieją w nanoskali. W związku z tym taka przemieszana sieć wykazuje odporność na złamania i pęknięcia, czyli wysoką stabilność mechaniczną. Głównym celem inżynierów pozostało jednak skonstruowanie wielofunkcyjnego mięśnia.

Uogólnienie techniki może otworzyć nowe perspektywy dla inteligentnych materiałów, gdyż połączenie jednofunkcyjnych inteligentnych materiałów może dać przeróżne kombinacje. Teoria przewiduje możliwość łączenia aż trzech komponentów w jedną całość. W tej metodzie można wybrać z menu funkcje, tworząc wielofunkcyjne materiały dostosowane do konkretnych potrzeb. Odkrycie zostanie wykorzystane w robotyce, która coraz więcej inspiracji czerpie z przyrody: – Próbujemy projektować materiały zbliżające się do elastyczności żywych stworzeń – powtarza Smoukov. Zresztą też w swojej istocie inteligentne materiały naśladują organizmy żywe właśnie przez zdolność adaptacji. 

Udostępnij:

Drukuj



Przemysław Juda




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również