A matéria sólida normalmente contém um único, estado sólido estável para um conjunto específico de condições. Os cientistas de materiais prevêem que novos materiais com estados sólidos intercambiáveis ​​serão vantajosos para diversas aplicações técnicas. Em um novo relatório agora publicado em Materiais da Natureza , Fut (Kuo) Yang e colegas dos departamentos interdisciplinares de Engenharia Química, A Bioengenharia e Biotecnologia no Canadá e na China descreveu o desenvolvimento de um material híbrido dois em um.

Eles compuseram o material com um polímero impregnado com uma solução de sal super-resfriada conhecida como "sal-gel". O material assumiu dois estados sólidos distintos, mas estáveis ​​e reversíveis, sob várias temperaturas (-90 graus C a 58 graus C) e pressões. Quando os cientistas estimularam a nucleação, o material mudou de um claro, sólido macio para um estado duro branco que era 10 ⁴ vezes mais rígido do que o original (15 kPa vs. 385 MPa). Eles reverteram o sólido duro de volta à consistência macia por meio de aquecimento transiente para demonstrar a reversibilidade da transição. O estudo explorou o conceito de metaestabilidade física robusta de um estado líquido e Yang et al. estendeu o trabalho aos álcoois de açúcar para formar "açúcar-gel" que responde a estímulos e não evapora. Esses materiais híbridos dois em um serão úteis em robótica leve e aplicações adesivas.

Os materiais que mudam de rigidez oferecem uma solução para projetar adaptabilidade de forma paradoxal e recursos de suporte de carga que são importantes para uma variedade de áreas técnicas, incluindo robótica leve, adesão / adesivos e aeronáutica. Manter a resposta mecânica de tais materiais inteligentes é, Contudo, limitado pela necessidade de um estímulo externo. Uma solução para criar sólidos dois em um é explorar a metaestabilidade mecânica ou estrutural de tais materiais. Isso é observado com metamateriais inspirados em origami ou kirigami que podem transformar sua rigidez por meio de mudanças nos estados topológicos.

Para obter estados estáveis ​​duplos, o mecanismo subjacente deve formar uma barreira de energia entre os dois, onde cada estado descansou em um mínimo energético. Por exemplo, a cristalização líquida pode atender a esse requisito quando o líquido inicialmente exigia a formação de um aglomerado suficientemente grande de átomos ou moléculas cristalinas. O ganho de energia livre de transformar a fase cristalina deve então superar o custo de energia livre de criar uma interface entre o líquido e o cristal. Os cientistas poderiam superar a barreira de energia entre as interfaces induzindo a automontagem via nucleação secundária (formação de novos cristais a partir de cristais existentes) para transformações de líquido em cristalino e com calor para transformação de cristal em líquido. O processo é comparativamente mais difícil para transformações de fase com sólidos puros cujas fases cristalina e não cristalina são ambas sólidas.

Como um exemplo de material, acetato de sódio tri-hidratado é um material de mudança de fase (PCM) comumente conhecido como 'gelo quente, "já que libera calor durante o congelamento com capacidade bem conhecida de super-resfriar. Embora o sólido tenha um ponto de fusão de 58 graus C, pode permanecer estável como um líquido super-resfriado em temperatura ambiente por anos, com aplicação no armazenamento sazonal de energia. Yang et al. forneceu ao tri-hidrato de acetato de sódio sólido uma forma sólida adicional usando uma rede de polímero compatível para produzir um material híbrido de peso leve e imprimível conhecido como sal-gel. O material pode alternar entre sua rigidez efetiva sem estimulação externa, permitindo que os cientistas aproveitem totalmente a transição de fase e a metaestabilidade do sal.

O material híbrido transformado em uma forma semelhante a borracha na fusão para fixação de forma sob demanda com uma mudança na rigidez maior que 10 ⁴ vezes. O recurso é altamente desejável para sólidos "dois em um" em comparação com materiais de mudança de rigidez desenvolvidos anteriormente. O novo material é relevante para o desempenho cada vez maior de miniaturizar e aumentar a densidade de desempenho de materiais multifuncionais.

Os cientistas prepararam o sal-gel misturando tri-hidrato de acetato de sódio derretido com pré-cursores de polímero de poli (ácido acrílico) e uma mistura líquida de ácido acético com água. A mistura de gel resultante permaneceu transparente, sugerindo que os constituintes sejam miscíveis entre si. O gel resultante tinha dois estados sólidos; um estado macio transparente e um estado rígido opaco que resistiu à deformação. Os cientistas transformaram o sal-gel de seu estado mole para o estado rígido por meio de nucleação secundária através do toque de cristais de semente de acetato de sódio tri-hidratado. Ao entrar em contato com um cristal de semente, a nucleação ocorreu imediatamente para que a cristalização procedesse do ponto de contato em todo o material.

Para conduzir a iniciação experimentalmente, Yang et al. usou uma vara de madeira com uma pequena quantidade de pó de cristal fino na ponta. Uma vez que o fenômeno se originou da superfície da amostra, eles assumiram uma causa dupla; onde no início, o custo de energia livre para nucleação baixou muito na superfície do gel devido à área de superfície reduzida. Depois disso, em contato, a superfície experimentou uma enorme quantidade de energia cinética. Enquanto o gel permanecer lubrificado, os cientistas poderiam prevenir a cristalização indesejada. Yang et al. reverteu o sal-gel ao seu estado macio aquecendo-o acima do ponto de fusão e usou essas propriedades para fixar a forma do gel sob demanda. Eles ajustaram as propriedades físicas do estado congelado, manipulando o conteúdo de polímero do gel para resistir à deformação e retornar à sua forma fixa após a liberação da tensão.

A equipe de pesquisa testou o comportamento mecânico dos dois estados do sistema sal-gel em ambientes semelhantes usando indentação. Eles compararam o sal-gel derretido e congelado, onde uma deformação plástica visível se formou no estado congelado, que desapareceu após o derretimento. Usando medições Yang et al. mostrou uma mudança significativa na rigidez entre os dois estados. Embora o sal-gel congelado fosse duro, era menos frágil para indentação sem rachaduras em comparação com um controle de sal congelado sem polímero.

Após a caracterização adicional do material híbrido, os cientistas mostraram que quando mais ácido acético líquido estava presente na mistura, o sal-gel tornou-se mais macio e menos elástico. Quando eles repetidamente congelaram e descongelaram o gel, eles não observaram danos duradouros na rede de polímero, embora o material tenha se tornado mais rígido com ciclos repetidos de congelamento e descongelamento.

Os cientistas então investigaram o comportamento de cristalização do sal-gel e observaram os cristais em crescimento empurrando para o lado a rede de polímero sem romper ou danificar a rede. O hidrato de sal demonstrou comportamentos térmicos semelhantes ao congelamento de água em hidrogéis, onde a adição de mais polímero e diluente levou a menos cristalização. Os comportamentos térmicos indicaram uma forte estabilidade do sal-gel com super-resfriamento maior que 150 graus C.

O sal-gel demonstrou contato de transição suave para duro, auto-adesão instantânea e robusta, armazenamento de energia mecânica junto com a capacidade de formar construções inteligentes. Uma grande vantagem do material híbrido era sua natureza autocontida, que facilmente permitiu a fabricação de aditivos. Como prova de princípio, Yang et al. fabricou um pepino-do-mar sintético usando rabiscos tridimensionais, entregando solução de sal-gel não reticulada usando uma seringa para reticular a solução no laboratório usando uma fonte de luz ultravioleta depois disso. A impressão resultante se assemelhava muito a um pepino do mar vivo na aparência e na mecânica, onde a derme alternou entre um estado transparente macio e rígido opaco.

Eles estenderam o conceito de sal-gel para outros materiais usando o álcool de açúcar xilitol como o PCM (material de mudança de fase). Usando o álcool de açúcar, eles prepararam uma goma de gel de açúcar (sug-gel) com comportamentos de dois estados sólidos. Quando os cientistas superaqueceram a construção a 120 graus C para acelerar a evaporação por uma semana, o volume da goma de mascar não mudou visivelmente e ainda permaneceu capaz de um comportamento de estado dual.

Para traduzir o sal-gel em aplicações práticas, Yang et al. deve resolver dois problemas técnicos relativos à evaporação e sensibilidade, que afetou a implementação do material. Os problemas foram parcialmente resolvidos com o revestimento do sal-gel com lubrificante para otimizar e aumentar sua estabilidade, eles têm como objetivo projetar ainda mais o material no futuro e resolver totalmente a limitação. A equipe de pesquisa também aumentou a flexibilidade de design e funcionalidade no sólido dois-em-um, em comparação com sólidos normais com um único estado sólido.

Desta maneira, Fut (Kuo) Yang e seus colegas construíram estrategicamente uma estrutura sólida dentro de um líquido funcional - sal derretido super-resfriado (acetato de sódio tri-hidratado) formando uma rede de polímero compatível de poli (ácido acrílico) para criar o sal-gel de material híbrido. As interações sinérgicas dos materiais em nível molecular permitiram que Yang et al. para alavancar as propriedades do líquido e explorar sua transição de fase e metaestabilidade.

A construção híbrida mostrou um comportamento material incomum para alternar entre dois estados sólidos estáveis ​​com propriedades mecânicas variáveis ​​que poderiam coexistir em condições ambientais semelhantes. Os estados de rigidez não exigiam estimulação contínua, permitindo novos recursos para aplicativos avançados. Enquanto o presente trabalho se concentrou na transformação de líquido super-resfriado, Yang et al. Esperamos estender a abordagem a outros líquidos com diferentes funcionalidades para diversificar a gama de materiais mecanicamente comutáveis.

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