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Morphing-Materialien nehmen neue Formen an
Die Forscher, die selbstbindende Nähte entwickelt haben, die ihre Form ändern, wenn sie Licht ausgesetzt werden, haben nun morphende Strukturen entwickelt, die als Reaktion auf Temperaturänderungen drei aufeinanderfolgende Formen annehmen können. Die formverändernden Polymere könnten schließlich als abnehmbare Stents und selbstschließende Befestigungselemente verwendet werden, die beim Zusammenbau komplexer Teile verwendet werden.
Die Strukturen bestehen aus Formgedächtnispolymeren, einer Klasse von Materialien, die sich als Reaktion auf neue Bedingungen, wie z. B. erhöhte Hitze, von einer voreingestellten Form in eine andere ändern. In den letzten Jahren haben verschiedene Forschungsgruppen Polymere entwickelt, die auf Licht oder ein Magnetfeld reagieren. Aber jetzt haben Forscher des MIT und des GKSS-Forschungszentrums in Teltow die Möglichkeit hinzugefügt, Polymere in eine dritte Form zu verwandeln. Dies ist das erste Mal, dass Sie ein Material von der Form A über B nach C bringen können, sagt Robert Langer, Professor für Chemieingenieurwesen am MIT und einer der Forscher.
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VIDEO: Sehen Sie sich den Material-Morph an
Im Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) beschreiben die Forscher diese Woche zwei Prototypstrukturen, die die neuen Materialien verwenden. Beim ersten Prototyp dehnt sich ein abgeflachtes Kunststoffrohr nach dem Erhitzen aus und bildet ein offenes Rohr, das diese Form auch nach dem Abkühlen beibehält. Beim Erhitzen auf eine noch höhere Temperatur schrumpft der Schlauch im Durchmesser. Eine mögliche Anwendung: Ein Stent, der geöffnet werden kann, sobald er im Körper eines Patienten, beispielsweise in einer Arterie, platziert ist, und dann, nachdem der Stent seinen Zweck erfüllt hat, wieder erhitzt werden kann, um ihn klein genug zum Entfernen zu machen.
Der andere Prototyp entfaltet sich und streckt dann zwei Arme aus, um sich selbst zu befestigen (siehe Video des Vorgangs hier). Dieses Design könnte auf Montagelinien nützlich sein, um schwer zugängliche Teile miteinander zu verbinden, sagt Andreas Lendlein , Leiter des Instituts für Polymerforschung am GKSS-Forschungszentrum und einer der Autoren des PNAS-Papiers.
Laut Lendlein lag der Schlüssel zu den neuen Strukturen in der Entwicklung zweier Polymertypen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten. Bei Raumtemperatur behält das Material seine erste Form. Wenn es jedoch über eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, werden Bereiche im gesamten Material weich, sodass es eine Zwischenform annehmen kann. Bei einer noch höheren Übergangstemperatur erweicht der Rest des Materials, wodurch die Struktur ihre endgültige Form annehmen kann.
Obwohl die Forscher speziell für dieses Projekt Polymere entwickelten, zeigten die Ergebnisse laut Lendlein ein allgemeines Prinzip, das mit einer Vielzahl von Polymeren funktionieren könnte. Er sagt, dass Forscher für bestimmte Anwendungen möglicherweise Materialien ändern müssen, um sie für die Verwendung im Körper kompatibel zu machen und die Kosten für die Verwendung in der Herstellung zu senken. Lendlein arbeitet mit mNemowissenschaften , mit Sitz in Aachen, einem Spin-off des MIT und der RWTH Aachen, um die neue Technologie zu kommerzialisieren.
Richard Vaia, Forscher am Forschungslabore der Luftwaffe , sagt, dass die Arbeit Teil eines Trends in der Formgedächtnisforschung zu komplexeren, leistungsfähigeren Materialien ist. Während frühe Anwendungen wie Schrumpffolien einfach waren, verwenden Forscher Nanopartikel, um die Kraft zu erhöhen, die die Materialien bei der Formänderung ausüben können, und sie entwickeln neue Wege, um die Veränderungen auszulösen, sagt Vaia. Ein weiteres wichtiges Ziel wäre, über die Multishape-Materialien von Lendlein hinaus auf solche zu gehen, die ihre Form reversibel ändern können und bei Anwendungen, die wiederholte Bewegungen erfordern, in die ursprüngliche Form zurückkehren.