Nytt gummi-materiale skifter form med varme

Kinesiske forskere har skapt et gummiaktig materiale som blir til origamifigurer når det blir varmet opp. Det baner vei for nye apparater som kan skifte form uten å bli styrt av elektronikk.

6.3 2016 04:00

Medisinsk utstyr og andre apparater kan snart være laget av intelligente materialer som kan skifte form med teknikker kjent fra den japanske papirkunsten origami.

Kinesiske forskere har funnet opp et nye type polymer som bretter seg til den ønskede form når det blir utsatt for en relativt liten temperaturstigning.

Det spesielle ved materialet er at man kan vri, strekke eller prege det igjen og igjen, slik at det kan brette seg på helt nye måter – uten å støpe det om.

Et flatt stykke kan altså preges med et origamimønster, slik at det kan brette seg til en fuglefigur – og tilbake igjen. I neste runde kan det brette seg til en båt. Deretter en vindmølle. Og slik kan man fortsette.

– Systemet vårt gjør det mulig å manipulere polymerfigurer på måter som stort sett bare fantasien setter grenser for. Det bør føre til mange muligheter for innovasjoner, skriver de kinesiske forskerne i den vitenskapelige artikkelen i tidsskriftet Science Advances.

– Hvorfor fikk ikke jeg den ideen?

Kinesernes fremgangsmåte er både smart og enkel, mener kjemiingeniør Anne Ladegaard Skov, som selv forsker på polymerer.

– Det er en studie hvor man sitter med tanken: Hvorfor fikk ikke jeg den ideen?, sier Skov, som er førsteamanuensis ved institutt for kjemiteknikk ved Danmark Tekniske Universitet.

Usedvanlig kombinasjon

Kineserne klarte å koble to normalt helt atskilte egenskaper – plastisitet og elastisitet.

  • Plastisitet er et materiales evne til å anta en ny permanent form. Det skjer for eksempel når vi former leire.
  • Elastisitet gjør at et materiale kan endre form midlertidig. Det kjenner vi fra for eksempel gummistrikk.


Ut fra et enkelt stykke av det nye materialet kan forskerne skape mange forskjellige figurer. I dette eksempelet varmet forskerne først materialet opptil 130 grader i 60 minutter. Da kunne materialet strekkes, vris eller preges, slik at det fikk nye permanente former (formene til venstre). Hver av de permanente formene brettet seg til hver sin midlertidige form (formene til høyre) når de ble utsatt for 80 graders varme. Når varmen forsvant, brettet de seg tilbake til den permanente formen.

Forskerne utnytter plastisiteten til å stemple overflaten med et bestemt mønster. Det avgjør hvordan materialet skal brette seg. Mønsteret er altså origamioppskriften.

Når den permanente formen er fastlagt, er det materialets elastisitet som får materialet til å brette seg. Det skjer når temperaturen stiger. Når den faller igjen, får materialet sin opprinnelige form tilbake.

– De to teknikkene er velkjent, men forskerne har klart å kombinere dem. Så det er egentlig veldig stilig, sier Skov.

Lett å arbeide med

Denne typen polymer, som kan brette seg på forutbestemte måter, kalles på engelsk en shape memory polymer.

Vanligvis må de støpes om for å kunne brettes seg på en ny måte. Det gjør at materialet mister sin gamle form. Med det nye materialet er ikke det nødvendig.

Materialet er også veldig robust, slik at det kan brettes mange ganger uten at det tar skade. Dessuten er det enkelt å arbeide med, noe som gjør at det kan bli tatt i bruk i praksis.


Materialets plastisitet gjør at forskerne kan prege et kvadratisk stykke, slik at det permanent tar form som en origamifugl. Ved å varme opp materialet kan det bli til et flatt kvadrat eller et origamifly, og når temperaturen faller igjen, blir materialet til en fugl på ny (syklusen til venstre). Forskerne kan deretter utnytte materialets plastisitet til å endre den permanente formen, så det blir til en båt som under varmepåvirkning kan forvandle seg til et flatt kvadrat eller en vindmølle og tilbake til en båt igjen (syklusen til høyre).

Intelligent materiale uten elektronikk

Videnskab.dk har tidligere skrevet om at apparater som kan skifte form etter origamioppskrifter, blir en del av fremtidens teknologi. For eksempel har forskere skapt en robot som kan montere seg selv.

I slike apparater vil det være nyttig med såkalt smarte eller intelligente materialer. Typisk er slike materialer avhengig av elektronikk. Men kinesernes materiale krever altså bare litt varme.

– Vi begynner å nærme oss det materialer som handler uten styringssystemer og slike ting. Det er rene polymerprodukter med en viss form for intelligens, sier Anne Ladegaard Skov.

Kan brukes i roboter og blodårer

De kinesiske forskerne forestiller seg at materialet kan brukes til ny teknologi på mange områder, for eksempel luftfart og biomedisinsk utstyr.

Anne Ladegaard Skov nevner at roboter og droner kan bli lettere hvis plastmaterialer kan oppføre seg intelligent uten å bli styrt av elektronikk.

Ved sykehus kan en liten strimmel av formskiftende polymer bli innført i blodåren på en pasient med en blodpropp. På grunn av kroppsvarmen vil strimmelen brette seg ut og bli til et rør som utvider blodåren.

I første omgang regner hun med at slike materialer vil bli brukt som temperatursensorer.

– I radiatorer har man for eksempel elektronikk som måler temperaturen. Men man kunne jo ha plast som lager en åpne- og lukkemekanisme når radiatoren når en gitt temperatur. Da blir det ikke nødvendig med et batteri i radiatoren. Åpne-lukke-mekanismen tror vi snart vil finne i virkelige produkter, sier Skov.

Referanse:

Qian Zhao, Weike Zou, Yingwu Luo og Tao Xie: Shape memory polymer network with thermally distinct elasticity and plasticity. Science Advances, januar 2016. DOI: 10.1126/sciadv.1501297. Sammendrag.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.