Τα πολυμερή μνήμης σχήματος θα μπορούσαν να προγραμματίσουν και να ανακτήσουν σε θερμοκρασία δωματίου

Τα πολυμερή μνήμης σχήματος (SMPs) είναι μια κατηγορία πολυμερών που αλλάζει το σχήμα του με εξωτερικά ερεθίσματα, όπως η θερμότητα. Η ικανότητα απομνημόνευσης του αρχικού τους σχήματος καθιστά τα SMP ένα ενδιαφέρον υλικό για πολλές εφαρμογές – επαναδιαμορφώσιμα νανοοπτικά, βιοϊατρικές συσκευές, έξυπνα υφάσματα ή αυτοαναπτυσσόμενες αεροδιαστημικές δομές. Τα τυπικά SMP μπορούν να ενεργοποιηθούν με άμεση ή έμμεση (π.χ. απορρόφηση φωτός και εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο) θέρμανση. Ωστόσο, ο κύκλος μνήμης σχήματος που απαιτεί θερμότητα περιορίζει σημαντικά τις ευρείες εφαρμογές των SMP (ειδικά ως επαναδιαμορφώσιμες νανο-οπτικές συσκευές). Ο κουραστικός κύκλος θέρμανσης και ψύξης εμποδίζει την εφαρμογή SMPs σε συνθήκες περιβάλλοντος.

Ένας φωτονικός κρύσταλλος θεωρείται ως μια περιοδική νανοδομή που θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με το φως. Το πιο αξιοσημείωτο φαινόμενο ενός φυσικού φωτονικού κρυστάλλου είναι το εντυπωσιακό γαλαζωπό χρώμα που φαίνεται από τα φτερά της πεταλούδας. Αυτό το χρώμα δεν είναι αποτέλεσμα μελάγχρωσης, αλλά λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ του ορατού φωτός και των νανοδομών φωτονικών κρυστάλλων που υπάρχουν στα φτερά της πεταλούδας. Η πρόοδος στη νανοτεχνολογία επέτρεψε στους επιστήμονες να μιμηθούν και να κατασκευάσουν τις νανοδομές παρόμοιες με αυτές που συνέβαλαν στο χρωματισμό των φτερών της πεταλούδας. Επιπλέον, μικρές αλλαγές αυτών των νανοδομών μπορεί να οδηγήσουν σε διαφορετικές οπτικές ιδιότητες και χρώματα. Ως εκ τούτου, είναι ιδιαίτερα επιθυμητό να σχεδιάζονται έξυπνες και ρυθμιζόμενες οπτικές νανοδομές για διάφορες εφαρμογές συσκευών.

Για την επίτευξη πραγματικών εφαρμογών σε έξυπνες και επαναδιαμορφώσιμες νανο-οπτικές συσκευές, η ομάδα του Dr. Peng Jiang στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα έχει επικεντρωθεί στην ανάπτυξη άκαμπτων SMP που μπορούν να προγραμματιστούν και να ανακτηθούν σε θερμοκρασία δωματίου. Η αξία της λειτουργίας σε όλους τους χώρους σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να προσθέσει σημαντικές αξίες στα SMP. Θα μπορούσαμε να επεκτείνουμε την εφαρμογή σε πολλούς τομείς που προηγουμένως φαίνονταν αδύνατες. Όσον αφορά το ίδιο το υλικό, ένα πολύ άκαμπτο πολυμερές μνήμης σχήματος μπορεί να ενισχύσει την αντοχή του. Με αυτούς τους σχεδιαστικούς στόχους, οι συγγραφείς ανέπτυξαν ένα νέο SMP, σε συνδυασμό με μοναδικές νανοδομές (φωτονικούς κρυστάλλους) στην επιφάνεια του SMP, όταν προγραμματιστεί ή ανακτηθεί, παρουσιάζουν μια εντυπωσιακή και εύκολα αντιληπτή αλλαγή στις οπτικές ιδιότητες (χρώμα).

Στο πρόσφατο άρθρο που δημοσιεύτηκε στο Advanced Functional Materials , οι συγγραφείς παρουσίασαν ένα νέο πολυμερές μνήμης σχήματος που εμφάνιζε μη παραδοσιακό κύκλο μνήμης σχήματος σε θερμοκρασία δωματίου, ενσωματώνοντας τις έννοιες των SMPs με μακροπορώδεις φωτονικούς κρυστάλλους. Αυτή η μελέτη επέλεξε ένα εξαιρετικά άκαμπτο SMP με βάση την πολυουρεθάνη. Η τελική μεμβράνη φωτονικών κρυστάλλων πολυουρεθάνης περιλαμβάνει μακροπορώδη νανοδομή 300 nm στην επιφάνειά της. Είναι κρίσιμο, αυτή η μόνιμη υαλώδης/άκαμπτη μακροπορώδης νανοδομή θα μπορούσε να προγραμματιστεί ψυχρά σε προσωρινές διαταραγμένες διαμορφώσεις υπό συνθήκες περιβάλλοντος εξατμίζοντας αργά τους οργανικούς διαλύτες που απορροφήθηκαν στον μακροπόρο διασύνδεσης. Οι παραμορφωμένοι μακροπόροι μπορούν να ανακτηθούν, σε θερμοκρασία δωματίου, εκθέτοντάς τους σε ατμούς και υγρά οργανικών διαλυτών. Η κυκλική παραμόρφωση και η ανάκτηση των μακροπορωδών νανοδομών μας επιτρέπουν να αλλάξουμε τα αντιληπτά χρώματα του δείγματος.

Οι συγγραφείς διαπίστωσαν ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ των διαλυτών και των SMPs είναι κρίσιμη για να επηρεάσει τόσο τις διαδικασίες παραμόρφωσης όσο και ανάκτησης. Οι διογκωτικοί διαλύτες (π.χ. αιθανόλη) μπορούν να ενεργοποιήσουν τον «ψυχρό» προγραμματισμό και την ανάκτηση SM. Ωστόσο, οι διαλύτες που δεν διογκώνονται (π.χ. εξάνιο) δεν μπορούν. Τα πειράματα αποκάλυψαν ότι η δυναμική των επιδράσεων πλαστικοποίησης που προκαλούνται από τη διόγκωση κυριάρχησε τόσο στον «ψυχρό» προγραμματισμό και στη διαδικασία ανάκτησης. Καλά μόρια διαλύτη που έχουν θετική συγγένεια προς το πολυμερές θα μπορούσαν να διαχέονται στα τοιχώματα των μακροπόρους σε νανοσκοπική κλίμακα. Στη συνέχεια, η τριχοειδής δύναμη που προκαλείται από την εξάτμιση του διαλύτη θα μπορούσε να προκαλέσει προσωρινή δομική παραμόρφωση των μαλακωμένων μακροπόρων.

Είναι σημαντικό ότι οι δοκιμές διόγκωσης έδειξαν ότι το νέο υλικό SMP εμφανίζει αμελητέα διόγκωση σε αλκάνια (π.χ. εξάνιο). Χρησιμοποιώντας τη μοναδική ιδιότητα ανάκτησης θερμοκρασίας δωματίου, οι συγγραφείς διερεύνησαν ένα υποδειγματικό σύστημα διαλυμάτων αιθανόλης-εξανίου ως ανάλογο βενζίνης. Το υλικό θα μπορούσε επιλεκτικά να ανιχνεύσει ίχνη αιθανόλης σε εξάνιο με όριο ανίχνευσης 150 ppm παρακολουθώντας τις εμφανείς αλλαγές χρώματος που σχετίζονται με την ανάκτηση SM. Αυτή η εργασία διευκόλυνε την καλύτερη κατανόηση των μοναδικών ιδιοτήτων του νέου SMP και έδειξε έναν νέο τύπο χρωμογόνου αισθητήρα που μπορεί να εφαρμοστεί στην ανίχνευση ιχνών ποσοτήτων αναλυτών σε ένα φάσμα συστημάτων μίγματος διαλύματος και/ή ατμών.

Αυτή η μελέτη, Programmable Macroporous Photonic Crystals Enabled by Swelling-Induced-Swelling-Temperature Shape Memory Effects δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Advanced Functional Materials .