Chuyển đổi vòng tròn thành hình vuông: Các nhà nghiên cứu định cấu hình lại cấu trúc liên kết vật liệu trên phạm vi vi mô

Vật liệu có thể tái cấu hình có thể làm được những điều đáng kinh ngạc. Các tấm phẳng biến đổi thành một khuôn mặt. Một khối lập phương được ép đùn biến thành hàng chục hình dạng khác nhau . Nhưng có một điều mà vật liệu có thể cấu hình lại vẫn chưa thể thay đổi: cấu trúc liên kết cơ bản của nó. Vật liệu có thể cấu hình lại với 100 ô sẽ luôn có 100 ô, ngay cả khi các ô đó bị kéo căng hoặc bị bóp méo.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS) đã phát triển một phương pháp để thay đổi cấu trúc liên kết cơ bản của vật liệu tế bào ở quy mô vi mô. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature .

Joanna Aizenberg, Giáo sư Khoa học Vật liệu Amy Smith Berylson cho biết: “Việc tạo ra các cấu trúc tế bào có khả năng thay đổi cấu trúc liên kết động của chúng sẽ mở ra cơ hội mới trong việc phát triển các vật liệu hoạt động với mã hóa thông tin, bẫy hạt chọn lọc, cũng như các đặc tính cơ học, hóa học và âm học có thể điều chỉnh được. tại SEAS và Giáo sư Hóa học & Sinh học Hóa học và tác giả cao cấp của bài báo.

Các nhà nghiên cứu đã khai thác cùng một vật lý có thể kết dính tóc của chúng ta lại với nhau khi nó bị ướt – lực mao mạch. Lực mao mạch hoạt động tốt trên vật liệu mềm, tuân thủ, như tóc của chúng ta, nhưng phải vật lộn với các cấu trúc tế bào cứng, đòi hỏi sự uốn, duỗi hoặc gấp của các bức tường, đặc biệt là xung quanh các nút được kết nối mạnh mẽ. Lực mao dẫn cũng là tạm thời, với các vật liệu có xu hướng trở lại cấu hình ban đầu sau khi làm khô.

Để phát triển một phương pháp lâu dài nhưng có thể đảo ngược để biến đổi cấu trúc liên kết của các vi cấu trúc tế bào cứng, các nhà nghiên cứu đã phát triển một chiến lược động hai tầng. Họ bắt đầu với một vi cấu trúc tế bào polyme, cứng với cấu trúc liên kết mạng tam giác, và cho nó tiếp xúc với các giọt dung môi dễ bay hơi được chọn để trương nở và làm mềm polyme ở quy mô phân tử. Điều này làm cho vật liệu tạm thời mềm dẻo hơn và ở trạng thái linh hoạt này, lực mao dẫn do chất lỏng bay hơi áp đặt đã kéo các cạnh của các hình tam giác lại với nhau, thay đổi các kết nối của chúng với nhau và biến chúng thành các hình lục giác. Sau đó, khi dung môi bay hơi nhanh chóng, vật liệu khô và được giữ lại trong cấu hình mới, lấy lại độ cứng. Toàn bộ quá trình diễn ra trong vài giây.

Shucong Li, một nghiên cứu sinh tại Phòng thí nghiệm Aizenberg và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Khi bạn nghĩ về các ứng dụng, điều thực sự quan trọng là không để mất các đặc tính cơ học của vật liệu sau quá trình biến đổi. “Ở đây, chúng tôi đã cho thấy rằng chúng tôi có thể bắt đầu với một vật liệu cứng và kết thúc với một vật liệu cứng thông qua quá trình tạm thời làm mềm nó ở giai đoạn cấu hình lại.”

Cấu trúc liên kết mới của vật liệu rất bền, nó có thể chịu nhiệt hoặc bị ngập trong một số chất lỏng trong nhiều ngày mà không cần tháo rời. Tính mạnh mẽ của nó thực sự đã đặt ra một vấn đề cho các nhà nghiên cứu, những người đã hy vọng làm cho sự chuyển đổi có thể đảo ngược.

Để trở lại cấu trúc liên kết ban đầu, các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật kết hợp hai chất lỏng. Đầu tiên tạm thời làm phồng mạng tinh thể, làm bong tróc các bức tường dính chặt của các hình lục giác và cho phép mạng tinh thể trở lại cấu trúc hình tam giác ban đầu của nó. Chất lỏng thứ hai, ít bay hơi hơn sẽ trì hoãn sự xuất hiện của lực mao dẫn cho đến khi chất lỏng thứ nhất bay hơi và vật liệu đã lấy lại được độ cứng. Bằng cách này, các cấu trúc có thể được lắp ráp và tháo rời nhiều lần và bị mắc kẹt trong bất kỳ cấu hình ở giữa nào.

Bolei Deng, đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Katia Bertoldi, Giáo sư Cơ học Ứng dụng của William và Ami Kuan Danoff tại SEAS.

Được hướng dẫn bởi mô hình này, các nhà nghiên cứu đã chứng minh các phép biến đổi tôpô thuận nghịch được lập trình của các hình học mạng tinh thể khác nhau và các vật liệu đáp ứng, bao gồm cả việc biến một mạng hình tròn thành hình vuông.

Các nhà nghiên cứu đã khám phá các ứng dụng khác nhau cho nghiên cứu. Ví dụ, nhóm đã mã hóa các mẫu và thiết kế vào vật liệu bằng cách thực hiện các chỉnh sửa nhỏ, vô hình đối với hình học của mạng tam giác.

Li nói: “Bạn có thể tưởng tượng điều này sẽ được sử dụng để mã hóa thông tin trong tương lai, bởi vì bạn không thể nhìn thấy mẫu trong vật liệu khi nó ở trạng thái chưa được lắp ráp.

Các nhà nghiên cứu cũng chứng minh sự biến đổi cục bộ cao, tập hợp và tháo rời các vùng của mạng tinh thể bằng một giọt chất lỏng nhỏ. Phương pháp này có thể được sử dụng để điều chỉnh tính chất ma sát và thấm ướt của vật liệu, thay đổi tính chất âm học và khả năng phục hồi cơ học của nó, thậm chí bẫy các hạt và bong bóng khí.

Bertoldi, đồng tác giả của bài báo cho biết: “Chiến lược của chúng tôi có thể được áp dụng cho nhiều ứng dụng. “Chúng tôi có thể áp dụng phương pháp này cho các vật liệu khác nhau, bao gồm các vật liệu đáp ứng, các hình học khác nhau và các quy mô khác nhau, thậm chí là kích thước nano nơi cấu trúc liên kết đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các siêu bề mặt quang tử có thể điều chỉnh được. Không gian thiết kế cho việc này là rất lớn ”.

Tham khảo: “Các phép biến đổi cấu trúc vi mô tế bào do chất lỏng gây ra” của Shucong Li, Bolei Deng, Alison Grinthal, Alyssha Schneider-Yamamura, Jinliang Kang, Reese S. Martens, Cathy T. Zhang, Jian Li, Siqin Yu, Katia Bertoldi và Joanna Aizenberg, ngày 14 tháng 4 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03404-7

Nghiên cứu này được đồng tác giả bởi Alison Grinthal, Alyssha Schneider-Yamamura, Jinliang Kang, Reese S. Martens, Cathy T. Zhang, Jian Li và Siqin Yu.

Nó được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia thông qua Tài liệu Thiết kế để Cách mạng hóa và Kỹ sư cho chương trình Tương lai của chúng tôi (DMREF) theo số giải thưởng. DMR-1922321, Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu của Đại học Harvard (MRSEC) theo giải thưởng số. DMR-18 2011754, và của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), Văn phòng Khoa học, Khoa học Năng lượng Cơ bản (BES) theo số giải thưởng DE-SC0005247.

Theo Scitechdaily