Comportements matériels du sal-gel. (a) Un graphique illustratif de l'énergie potentielle en fonction de la voie de réaction, caractérisé par une barrière énergétique entre deux états solides stables aux propriétés mécaniques distinctes. Les carrés représentent les portraits moléculaires conceptuels du sal-gel, où le sel est fondu à l'état mou et congelé à l'état rigide. Les photographies illustrent le comportement mécanique du sal-gel, qui est suffisamment souple pour être replié sur lui-même à l'état mou mais suffisamment rigide pour supporter un poids de 200 µg à l'état rigide. (b) Fixation de forme à la demande de sal-gel (P10L10) en manipulant sa forme à l'état mou, puis en fixant la forme en touchant le gel avec des cristaux de graines de sel. La forme fixe peut être inversée en chauffant le gel (>58°C). (c) À haute teneur en polymère (P30L10), le matériau est élastique et flexible, se déformant lorsqu'il est tordu mais reprenant sa forme fixe d'origine lorsque la force est relâchée. A faible teneur en polymère (P10L10), la forme fixe est rigide et inflexible et se casse lors de la torsion. Crédit :Nature Materials, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
La matière solide contient généralement un seul, état solide stable pour un ensemble spécifique de conditions. Les scientifiques des matériaux envisagent que de nouveaux matériaux à états solides interchangeables seront avantageux pour diverses applications techniques. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Matériaux naturels , Fut (Kuo) Yang et ses collègues des départements interdisciplinaires de génie chimique, La bio-ingénierie et la biotechnologie au Canada et en Chine ont décrit le développement d'un matériau hybride deux-en-un.
Ils ont composé le matériau avec un polymère imprégné d'une solution de sel en surfusion connue sous le nom de "sal-gel". Le matériau a pris deux états solides distincts mais stables et réversibles sous des températures et des pressions variables (-90 degrés C à 58 degrés C). Lorsque les scientifiques ont stimulé la nucléation, le matériau est passé d'un clair, solide mou à un état blanc dur qui était de 10 4 fois plus rigide que l'original (15 kPa contre 385 MPa). Ils ont ramené le solide dur à une consistance molle via un chauffage transitoire pour démontrer la réversibilité de la transition. L'étude a exploré le concept de métastabilité physique robuste d'un état liquide et Yang et al. étendu le travail aux alcools de sucre pour former un "sug-gel" sensible aux stimuli et non évaporant. De tels matériaux hybrides deux-en-un seront utiles dans la robotique douce et les applications adhésives.
Les matériaux à changement de rigidité offrent une solution pour concevoir une adaptabilité de forme paradoxale et des capacités de charge qui sont importantes pour une variété de domaines techniques, y compris la robotique douce, adhérence/colles et aéronautique. Maintenir la réponse mécanique de tels matériaux intelligents est, cependant, limité par l'exigence d'un stimulus externe. Une solution pour créer des solides deux en un consiste à explorer la métastabilité mécanique ou structurelle de ces matériaux. Ceci est observé avec des métamatériaux inspirés de l'origami ou du kirigami qui peuvent transformer leur rigidité via des changements d'états topologiques.
Pour obtenir des états stables duals, le mécanisme sous-jacent doit former une barrière énergétique entre les deux, où chaque état reposait sur un minimum énergétique. Par exemple, la cristallisation liquide peut répondre à cette exigence lorsque le liquide nécessitait initialement la formation d'un amas suffisamment grand d'atomes ou de molécules cristallins. Le gain d'énergie gratuite de transformation de la phase cristalline doit alors surmonter le coût d'énergie gratuite de création d'une interface entre le liquide et le cristal. Les scientifiques pourraient surmonter la barrière énergétique entre les interfaces en induisant un auto-assemblage via une nucléation secondaire (formation de nouveaux cristaux à partir de cristaux existants) pour les transformations liquide-cristallin et avec de la chaleur pour la transformation cristallin-liquide. Le procédé est comparativement plus difficile pour les transformations de phase avec des solides purs dont les phases cristalline et non cristalline sont toutes deux solides.
Transition douce à dure au contact du sal-gel. Crédit :Nature Materials, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
A titre d'exemple de matériau, L'acétate de sodium trihydraté est un matériau à changement de phase (PCM) communément appelé « glace chaude, " car il dégage de la chaleur pendant la congélation avec une capacité bien connue de surfusion. Bien que le solide ait un point de fusion de 58 degrés C, il peut rester stable en tant que liquide surfondu à température ambiante pendant des années, avec application dans le stockage d'énergie saisonnier. Yang et al. a fourni au trihydrate d'acétate de sodium solide une forme solide supplémentaire en utilisant un réseau polymère compatible pour produire un matériau hybride imprimable et léger connu sous le nom de sal-gel. Le matériau pourrait changer de manière interchangeable sa rigidité effective sans stimulation externe, permettant aux scientifiques de tirer pleinement parti de la transition de phase et de la métastabilité du sel.
Le matériau hybride transformé en une forme caoutchouteuse lors de la fusion pour une fixation de forme à la demande avec un changement de rigidité supérieur à 10 4 fois. Cette caractéristique est hautement souhaitable pour les solides « deux en un » par rapport aux matériaux de modification de rigidité précédemment développés. Le nouveau matériau est pertinent pour les performances toujours croissantes de miniaturisation et d'augmentation de la densité de performance des matériaux multifonctionnels.
Propriétés sal-gel à l'état rigide. Comportement à faible teneur en polymère par rapport à une teneur élevée en polymère. Crédit :Nature Materials, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
Les scientifiques ont préparé du sal-gel en mélangeant de l'acétate de sodium trihydraté fondu avec des précurseurs polymères de poly(acide acrylique) et un mélange liquide d'acide acétique avec de l'eau. Le mélange de gel résultant est resté transparent, suggérant que les constituants soient miscibles entre eux. Le gel résultant avait deux états solides; un état mou transparent et un état rigide opaque qui a résisté à la déformation. Les scientifiques ont transformé le sal-gel de son état mou à l'état rigide via une nucléation secondaire par le contact de cristaux de graines d'acétate de sodium trihydraté. Au contact d'un cristal germe, la nucléation s'est produite immédiatement pour que la cristallisation se produise à partir du point de contact à travers tout le matériau.
Pour conduire l'initiation expérimentalement, Yang et al. utilisé un bâton en bois avec une petite quantité de fine poussière de cristal à la pointe. Étant donné que le phénomène provient de la surface de l'échantillon, ils assumaient une double cause; où au début, le coût de l'énergie gratuite pour la nucléation a considérablement diminué à la surface du gel en raison de la surface réduite. Après, au contact, la surface a subi une énorme quantité d'énergie cinétique. Tant que le gel est resté lubrifié, les scientifiques pourraient empêcher une cristallisation indésirable. Yang et al. a inversé le sal-gel à son état mou en le chauffant au-dessus du point de fusion et a utilisé ces propriétés pour fixer la forme du gel à la demande. Ils ont ajusté les propriétés physiques de l'état congelé en manipulant la teneur en polymère du gel pour résister à la déformation et revenir à sa forme fixe lors de la libération des contraintes.
L'équipe de recherche a testé le comportement mécanique des deux états du système sal-gel dans des environnements similaires en utilisant l'indentation. Ils ont comparé le sel-gel fondu et congelé, où une déformation plastique visible s'est formée à l'état congelé, qui a disparu après fusion. À l'aide de mesures, Yang et al. a montré un changement significatif de la rigidité entre les deux états. Bien que le gel de sel congelé était rigide, il était moins cassant pour l'indentation sans fissuration par rapport à un témoin de sel congelé sans polymère.
GAUCHE :Comportements mécaniques du sal-gel. (a–c), Courbes charge-déplacement typiques pour P10L10 fondu (a) et congelé (b), et des échantillons L10 (c) congelés dans des tests d'indentation. (ré, e), Caractérisation mécanique de sal-gel de différentes compositions avec des modules élastiques effectifs extraits des courbes de chargement initial (d) et des contributions élastiques de la réponse du matériau à l'état congelé (e). (F), Un graphique du changement relatif du module d'élasticité pour un échantillon P10L10 sur cinq cycles de gel-dégel. (g), Le changement de rigidité du sal-gel par rapport à d'autres matériaux/dispositifs modifiant la rigidité par rapport à l'échelle de longueur de connectivité. Ceux-ci (avec leurs références clés respectives) incluent des polymères à mémoire de forme, nanocomposites sensibles aux stimuli, nanocomposites métalliques tensioactifs, Microcomposites PCM, métamatériaux transformables, dispositifs basés sur la rhéologie, dispositifs basés sur le brouillage, Structures/dispositifs PCM et machines à tendons28, 29. Les barres d'erreur représentent un écart type (n ≥ 3) À DROITE :comportement de cristallisation du sal-gel. (une), Images microscopiques et macroscopiques de la croissance de cristaux de sel dans le gel de sel à partir d'un seul point de nucléation au fil du temps. Les images à l'extrême droite proviennent du même échantillon avec des cristaux entièrement refondus. Chaque image microscopique correspond aux emplacements marqués en rouge sur les photographies macroscopiques. (b), Vitesse de cristallisation pour différents échantillons. La ligne rouge en pointillés met en évidence les tendances de L10 à L30 et de P10L10 à P10L30. (c), Fraction de sel congelé pour différents échantillons. (ré, e), Flux de chaleur spécifique obtenu par calorimétrie différentielle à balayage pour différents échantillons avec une teneur distincte en liquide (acide acétique) (d) et en polymère (e). Les barres d'erreur dans (b) et (c) représentent un écart type (n ≥ 3). Crédit :Nature Materials, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
Après une caractérisation plus poussée du matériau hybride, les scientifiques ont montré que lorsque plus de liquide d'acide acétique était présent dans le mélange, le sal-gel est devenu plus mou et moins élastique. Quand ils ont gelé et décongelé à plusieurs reprises le gel, ils n'ont pas observé de dégradation durable du réseau polymère, bien que le matériau soit devenu plus rigide avec des cycles de gel-dégel répétés.
Les scientifiques ont ensuite étudié le comportement de cristallisation du sal-gel et observé la croissance des cristaux pour repousser le réseau polymère sans rompre ni endommager le réseau. L'hydrate de sel a démontré des comportements thermiques similaires à la congélation de l'eau dans les hydrogels, où l'ajout de plus de polymère et de diluant a conduit à moins de cristallisation. Les comportements thermiques ont indiqué une forte stabilité du sal-gel avec une surfusion supérieure à 150 degrés C.
Le sal-gel a démontré un contact transitionnel mou à dur, auto-adhérence instantanée et robuste, stockage d'énergie mécanique aux côtés de la capacité de former des constructions intelligentes. Un avantage majeur du matériau hybride était sa nature autonome, qui permettait facilement la fabrication additive. Comme preuve de principe, Yang et al. a fabriqué un concombre de mer synthétique à l'aide d'un griffonnage tridimensionnel en livrant une solution de gel de sel non réticulée à l'aide d'une seringue pour réticuler la solution en laboratoire à l'aide d'une source de lumière ultraviolette par la suite. L'impression résultante ressemblait étroitement à un concombre de mer vivant en apparence et en mécanique, où le derme est passé d'un état transparent souple à un état rigide opaque.
GAUCHE :Applications de sal-gel. (un d), Démonstration du contact transitionnel mou à dur du sal-gel. Une fine bande de sal-gel non congelé (a, P10L10) est descendu au contact d'une balle de golf (b) et est ensuite soulevé alors que le gel est dégelé (c) ou congelé (d). (par exemple), Démonstration de l'auto-adhérence instantanée et robuste du sal-gel. Une bande de sal-gel non congelé (P10L10) est pressée contre un sal-gel congelé (P10L10) qui a été enroulé autour d'un bouchon de bouteille (e); le gel non congelé adhère au contact par congélation (f) et est capable de soulever une bouteille d'eau pesant environ 1,5 kg après sa congélation complète (g). (h–m), Démonstration de salgel pour le stockage d'énergie mécanique. Une bande très épaisse de sal-gel non congelé (h, P10L10) est d'abord comprimé (i) puis congelé (j) pour stocker l'énergie mécanique. Un poids est ensuite ajouté sur le gel congelé (k). Au chauffage, le gel soulève le poids (l), produire du travail. En enlevant le poids, le gel retrouve son épaisseur d'origine non compressée (m). (n–q), Démonstration de sal-gel pour former des constructions intelligentes. Une très fine bande de sal-gel non congelé (P10L10) est chimiquement liée à un morceau plat de caoutchouc de silicone (n). Après avoir étiré le caoutchouc (o) et congelé le gel in situ (p), le morceau de caoutchouc plat se courbe sur lui-même sous l'action des forces extérieures (q). DROITE :Implications pratiques du sal-gel. a-c, Démonstration de l'aptitude au traitement du sal-gel pour la fabrication additive en fabriquant un concombre de mer synthétique par gribouillage en trois dimensions. d–g, Comparaison qualitative d'un concombre de mer épineux vivant (Pentacta anceps) (d) avec le concombre de mer sal-gel à différents angles de vue (e–g). h, je, Photographies du concombre de mer fabriqué à deux états solides différents :un état mou transparent et facilement déprimé (h) et un état rigide opaque et ferme (i). j–m, Un ours gommeux sug-gel incorporant plus de 90 % en poids de contenu liquide d'alcool de sucre présente le même comportement mécanique double que le sal-gel (j, k); ce système est pratiquement non évaporatif (l) et peut encore cristalliser après une surchauffe prolongée (m). m, Module d'élasticité du sal-gel congelé (bleu) et fondu (orange) en fonction de la température. (o), Illustration des propriétés matérielles (P1-P12) d'un matériau typique avec un seul état solide (S1) et des matériaux solides deux-en-un avec deux états solides (S1 et S2) avec des conditions environnementales (C1-C6). Notez le chemin de réponse non linéaire des propriétés du matériau autorisé dans les matériaux deux-en-un par rapport au chemin de réponse linéaire des solides typiques. Les barres d'erreur dans n représentent un écart type (n ≥ 3). Crédit :Nature Materials, doi:10.1038/s41563-019-0434-0
Ils ont étendu le concept de sal-gel à d'autres matériaux en utilisant l'alcool de sucre xylitol comme PCM (matériau à changement de phase). En utilisant l'alcool de sucre, ils ont préparé un ours gommeux en gel de sucre (sug-gel) avec deux comportements à l'état solide. Lorsque les scientifiques ont surchauffé la construction à 120 degrés C pour accélérer l'évaporation pendant une semaine, le volume de l'ours gommeux n'a pas changé visiblement et est toujours resté capable d'un comportement à deux états.
Traduire le sal-gel en applications pratiques, Yang et al. devrait résoudre deux problèmes techniques relatifs à l'évaporation et à la sensibilité, qui a affecté la mise en œuvre du matériel. Les problèmes ont été partiellement résolus en enduisant le sal-gel de lubrifiant pour optimiser et augmenter sa stabilité, ils visent à perfectionner le matériau à l'avenir et à résoudre complètement la limitation. L'équipe de recherche a également augmenté la flexibilité dans la conception et la fonctionnalité dans le solide deux-en-un, par rapport aux solides normaux avec un seul état solide.
De cette façon, Fut (Kuo) Yang et ses collègues ont stratégiquement construit un cadre solide à l'intérieur d'un liquide fonctionnel - sel fondu surfondu (acétate de sodium trihydraté) en formant un réseau polymère compatible de poly(acide acrylique) pour créer le matériau hybride sal-gel. Les interactions synergiques des matériaux au niveau moléculaire ont permis à Yang et al. pour tirer parti des propriétés du liquide et explorer sa transition de phase et sa métastabilité.
La construction hybride a montré un comportement de matériau inhabituel pour basculer entre deux états solides stables avec des propriétés mécaniques variables qui pourraient coexister dans des conditions environnementales similaires. Les états de raideur n'ont pas nécessité de stimulation continue, permettant de nouvelles capacités pour les applications avancées. Alors que le présent travail s'est concentré sur la transformation de liquide surfondu, Yang et al. prévoyez d'étendre l'approche à d'autres liquides avec des fonctionnalités différentes pour diversifier la gamme de matériaux commutables mécaniquement.
© 2019 Réseau Science X
