17.07.2019 - Queensland University of Technology (QUT)

Grünes Licht für eine neue Generation dynamischer Materialien

Die Entwicklung von synthetischen Materialien, die so dynamisch sind wie die der Natur, sich reversibel ändernde Eigenschaften aufweisen und in der Herstellung, im Recycling und anderen Anwendungen eingesetzt werden können, ist ein starker Fokus für Wissenschaftler.

In einer Weltneuheit haben Forscher der Queensland University of Technology (QUT), der Ghent University (UGent) und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ein neuartiges, dynamisches, reprogrammierbares Material entwickelt - mit grünem LED-Licht und vor allem Dunkelheit als Schalter zur Veränderung der Polymerstruktur des Materials und mit nur zwei kostengünstigen chemischen Verbindungen. Eine dieser Verbindungen, Naphthalin, ist als Bestandteil von Mottenschutzmitteln bekannt.

Das neue dynamische Material könnte potenziell als 3D-Druckfarbe zum Drucken von temporären, leicht zu entfernenden Traggerüsten verwendet werden. Damit würde eine der derzeitigen Einschränkungen des 3D-Prozesses beim Drucken frei hängender Strukturen überwunden.

Die Forschung ist Teil einer laufenden internationalen Zusammenarbeit zwischen dem makromolekularen Chemiker der QUT und dem australischen Forschungsrat, Professor Christopher Barner-Kowollik, Dr. Hannes Houck, der kürzlich seine Doktorarbeit über QUT, UGent und KIT abgeschlossen hat, UGent Professor Filip Du Prez und Dr. Eva Blasco vom KIT.

Kernpunkte:

  • Das neue Material wurde mit Naphthalinen und den Kupplungsmolekülen Triazolinediones (TADs) gebildet.
  • Solange grünes LED-Licht auf das Material fiel, blieb es stabil und stark.
  • Sobald das Licht aus war und das Material in der Dunkelheit gehalten wurde, brachen die chemischen Verbindungen der Netzwerkstruktur auf und das Material wurde weich und verflüssigt.
  • Der Fest-zu-weich-Prozess konnte mit einem Handgriff wiederholt werden, und das Licht konnte gedimmt werden, um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu modulieren.
  • Weiterführende Forschung befasst sich mit anderen chemischen Kombinationen, die das gleiche Ergebnis erzielen können.

Professor Barner-Kowollik von der Science and Engineering Faculty der QUT sagte, was die Entdeckung einzigartig macht, ist, dass Licht als Auslöser verwendet wird, um chemische Verbindungen zu stabilisieren, anstatt sie zu zerstören - deshalb haben die Forscher einen neuen Begriff entwickelt, die lichtstabilisierten dynamischen Materialien (LSDMs).

"Wir hoffen, LSDMs als eine ganz neue Klasse von Materialien einzuführen", sagte Dr. Houck. "Wir diskutierten über die Patentierung des neuen Materials, beschlossen aber, nicht zu warten und die Ergebnisse zu veröffentlichen, um die Kenntnisse und das Verständnis der beteiligten Prozesse zu verbessern."

Die Forscher sagten, dass das, was sie erreicht haben, das Gegenteil von dem ist, was normalerweise in der Chemie gemacht wird, und "viele Leute dachten nicht, dass es möglich wäre".

"Typischerweise nutzt man unterschiedliche Wellenlängen von Licht oder zusätzliche Wärme oder aggressive Chemikalien, um die polymeren Molekülketten, die eine Netzwerkstruktur bilden, aufzubrechen", sagten sie.

"In diesem Fall haben wir jedoch grünes LED-Licht verwendet, um das Netzwerk zu stabilisieren. Der Auslöser, das Netzwerk aufzubrechen, es zum Einsturz zu bringen und wegzufließen, ist eigentlich das mildeste von allen: die Dunkelheit. Schalten Sie das Licht wieder ein und das Material härtet wieder aus und behält seine Festigkeit und Stabilität.

"Das ist, was man ein aus dem Gleichgewicht geratenes chemisches System nennt. Die konstante Energie des grünen Lichts hält das chemische System in dieser gebundenen Form und drückt es aus seinem Gleichgewicht. Nimmt man das Licht weg, kehrt das System in seinen entspannten, energieärmsten Zustand zurück."

Professor Barner-Kowollik sagte, die Forscher seien bereits von Unternehmen der 3D-Drucktechnologie kontaktiert worden, die an der Anwendung der Forschung interessiert seien.

Der 3D-Druck wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Automobilindustrie eingesetzt, um komplizierte Teile und detaillierte Prototypen herzustellen.

Der 3D-Druck komplexer Konstruktionen mit Überhängen oder Brücken ist jedoch schwierig oder unbegrenzt, da der 3D-Prozess das Drucken Schicht für Schicht beinhaltet und es keine direkte Unterstützung für Schichten in stark abgewinkelten Strukturen gibt.

"Was Sie für den 3D-Druck wie eine Brücke benötigen, ist ein Traggerüst, eine zweite Tinte, die dieses Gerüst beim Drucken des Entwurfs bereitstellt, die Sie aber später entfernen können, wenn sie nicht mehr benötigt wird", sagte er.

"Mit einer lichtstabilisierten dynamischen Tinte, die als Gerüst verwendet wird, kann man unter Licht 3D drucken und dann das Licht ausschalten, damit die Gerüstfarbe wegfließt."

Professor Du Prez und Professor Barner-Kowollik sagten, dass eine weitere mögliche Anwendung für LSDMs als zellbiologisches Studienwerkzeug sei, wobei Biologen es als Unterstützung der Zelloberfläche verwenden, die sie durch Lichtmodulation verändern könnten, ohne die Zellen zu beschädigen.

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