Исследователи из Института Пола Шеррера PSI и ETH Zurich разработали новый материал, который сохраняет заданную форму, когда он помещается в магнитное поле. Это композитный материал, состоящий из двух компонентов. В отличие от предыдущих материалов с памятью формы, он состоит из полимера и капель так называемой магнитореологической жидкости. Области применения этого нового типа композиционных материалов включают медицину, аэрокосмическую промышленность, электронику и робототехнику. В настоящее время исследователи публикуют свои результаты в научном журнале Advanced Materials .
Это похоже на магический трюк: магнит отходит от черной витой полосы, и полоса расслабляется без какого-либо дополнительного эффекта. То, что похоже на магию, можно объяснить магнетизмом. Черная лента состоит из двух компонентов: полимера на основе силикона и небольших капель воды и глицерина, в которых плавают мельчайшие частицы карбонильного железа. Последние обеспечивают магнитные свойства материала и память его формы . Если композитный материал с помощью пинцета принудительно принимает определенную форму, а затем подвергается воздействию магнитного поля , он сохраняет свою форму даже после удаления пинцета. Только когда магнитное поле также удалено, материал возвращается к своей первоначальной форме.
До сих пор сопоставимые материалы состояли из полимера и внедренных металлических частиц. Вместо этого исследователи из PSI и ETH Zurich использовали капли воды и глицерина, чтобы вставить магнитные частицы в полимер. Таким образом, они создали дисперсию, подобную той, которая обнаружена в молоке. В молоке мелкие жировые капли тонко диспергируются в водном растворе. Они по существу ответственны за белый цвет.
Точно так же капли магнитореологической жидкости тонко распределены в новом материале. «Поскольку магнитно-чувствительная фаза, диспергированная в полимере, представляет собой жидкость, силы, возникающие при приложении магнитного поля, намного больше, чем сообщалось ранее», — объясняет Лаура Хейдерман, руководитель группы мезоскопических систем в PSI и профессор ETH Zurich. Если магнитное поле действует на композитный материал, оно становится жестким. «Эта новая материальная концепция может появиться только благодаря совместной работе групп, обладающих опытом в двух совершенно разных областях — магнитных и мягких материалах», — говорит Хейдерман.
Память формы через выравнивание с магнитным полем
Исследователи изучили новый материал с помощью швейцарского источника света SLS в PSI, среди прочего. С помощью рентгеновских томографических изображений, полученных с помощью этого источника света, они обнаружили, что длина капель в полимере увеличивается под воздействием магнитного поля и что частицы карбонильного железа в жидкости выравниваются, по меньшей мере, частично вдоль линий магнитного поля , Эти два фактора увеличивают жесткость тестируемого материала до 30 раз.
Тот факт, что память формы нового материала активируется магнитными полями, предлагает дополнительные преимущества в дополнение к более высокой силе. Большинство материалов с памятью формы реагируют на изменения температуры. В медицинских приложениях две проблемы возникают в результате. Во-первых, чрезмерное тепло повреждает собственные клетки организма. Во-вторых, не всегда возможно гарантировать равномерное нагревание объекта, который запоминает его форму. Оба недостатка можно избежать, включив память формы с помощью магнитного поля.
Механически активные материалы для медицины и робототехники
«С нашим новым композитным материалом мы сделали еще один важный шаг к упрощению компонентов в широком спектре приложений, таких как медицина и робототехника», — говорит ETH Zurich и исследователь материалов PSI Паоло Теста, первый автор исследования. «Поэтому наша работа служит отправной точкой для нового класса механически активных материалов».
Многочисленные приложения в медицине, космическом полете, электронике и робототехнике возможны для материалов с памятью формы. Например, катетеры, которые изменяют жесткость, когда их проталкивают через кровеносные сосуды к месту операции во время малоинвазивных операций. В освоении космоса материалы с памятью формы пользуются спросом на шинах для вездеходов, которые самостоятельно накачиваются или снова складываются. В электронике мягкие функциональные материалы могут быть использованы в гибких силовых или информационных кабелях в носимых устройствах и в роботах, которые могут выполнять механические движения без двигателя.
