Klausytis lapų: pridedant bioinspired v

Klausytis lapų: pridedant bioinspired v

vaizdas: (iš kairės) Podoktorantūros mokslinis bendradarbis Diego Alzate Sanchez, Beckmano instituto direktorius Jeffrey’us Moore’as, mechanikos mokslų ir inžinerijos docentas Mariana Kersh ir UIUC Maybelle Leland Swanlund, Nancy Sotto Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros katedra, buvo tarpdisciplininės komandos dalis. Beckmano pažangiojo mokslo ir technologijų institute, kuris sukūrė cheminį procesą, skirtą sukurti putplasčio polimerus su kraujagyslių sistemomis, kontroliuojančius tuščiavidurių kanalų kryptį ir išlyginimą, kad būtų suteikta struktūrinė atrama ir efektyviai judinami skysčiai per medžiagą.
peržiūrėti daugiau

Kreditas: Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign Beckmano pažangiojo mokslo ir technologijų institutas.

Daug gyvenime išmoktų pamokų išmokstama iš medžių. Stovi tvirtai. Geriems dalykams reikia laiko. Lenk, nesulūžk. Tačiau neskaitant metaforų, mūsų didingi medžių kaimynai siūlo daug mokslinės išminties – ir mes turime daug ko išmokti.

Tiesiog medžiai yra pirmieji gamtos mokslininkai. Kaip ir daugelis augalų, jie turi kraujagyslių sistemas, vamzdelius primenančių kanalų tinklus, pernešančius vandenį ir kitas gyvybiškai svarbias maistines medžiagas nuo šaknų iki šakų, lapų.

Beckmano pažangiojo mokslo ir technologijų instituto tyrimų grupė sukūrė cheminį procesą, skirtą sukurti putplasčio polimerus su savo kraujagyslių sistemomis, kontroliuojančius tuščiavidurių kanalų kryptį ir išlyginimą, kad būtų suteikta struktūrinė atrama ir efektyviai judinami skysčiai per medžiagą.

Jų darbas „Anizotropinės putos per priekinę polimerizaciją“ buvo paskelbtas Pažangios medžiagos.

Supaprastinta konstrukcija

Polimerinės putos yra veiksmingi šilumos izoliatoriai, naudojami nuo pakavimo iki šaldymo ir namų izoliacijos. Tuščiaviduriai kanalai dažnai susidaro polimerizacijos proceso metu, tačiau esami metodai, skirti tiksliai sureguliuoti jų struktūrą arba paversti juos kažkuo panašiu į veikiančią kraujagyslių sistemą, rėmėsi sudėtingais metodais ir instrumentais. Diego Alzate-Sanchezo vadovaujama komanda siekė sukurti paprastesnį metodą.

„Mūsų tyrimų grupėje stebėjome šias į venas panašias struktūras, atsirandančias polimeruose. Tačiau nors kai kurie mokslininkai kanalus matė kaip tuščias tuštumas, kurios susilpnina polimerą, mes matėme juos kaip galimybę sukurti ką nors produktyvaus “, – sakė Alzate-Sanchez, Beckmano instituto mokslinis bendradarbis.

Šiai Ilinojaus universiteto komandai natūraliai atsirandantys kanalai nekėlė nerimo, o mokslinio įkvėpimo – tiksliau, biologinio įkvėpimo – šaltinis.

Klausytis lapų

Žvelgdami į ąžuolus ir klevus, besidriekiančius Urbanos miestelyje, mokslininkai siekė aprūpinti polimerinėmis putomis kraujagyslių sistemą, kuri imituotų medžių struktūrą. Kanalinės sistemos organizavimas lygiagrečioje struktūroje leidžia transportuoti skysčius viena, iš anksto nustatyta kryptimi.

„Pagalvokite apie medžio kamieną“, – sakė Beckmano instituto ir šio tyrimo PI direktorius Jeffrey’us Moore’as. „Vanduo turi keliauti tinkama kryptimi, nuo šaknų iki lapų. Jis turi patekti iš taško A į tašką B pačiu tiesiausiu būdu; ne į tašką C ar visiškai kur nors kitur.

Kadangi judėjimas viena kryptimi yra palankesnis už judėjimą kita, ši struktūra žinoma kaip anizotropinė arba nelygi. Įsivaizduokite gretimas eismo juostas į šiaurę nukreiptame greitkelyje; keliauti į rytus ar vakarus yra daug sudėtingiau nei eiti su srautu. Anksčiau dauguma kraujagyslių sistemų, įterptų į putplasčio medžiagas, laikėsi izotropinės struktūros, o kanalai judėjo vienodai visomis kryptimis. Jei anizotropija yra greitkelis, tai izotropija yra buferinių automobilių arena, vingiuojančiais daugiakrypčiais takais vienas per kitą.

Daugiau nei tik skysčiai

Medžiagų mokslininkui vienpusis kraujagyslių greitkelis suteikia unikalių galimybių praleisti ne tik vandenį.

Šiame tyrime Alzate-Sanchez ir jo komanda pademonstravo kanalų naudojimą skysčiams transportuoti per polimerus iš anksto nustatyta kryptimi; Žvelgiant į ateitį, gebėjimas sukurti kryptingą srautą gali apimti įvairias energijos formas.

„Svarbios yra anizotropinių savybių turinčios medžiagos. Pavyzdžiui, anizotropiniai šilumos izoliatoriai gali praleisti šilumą viena kryptimi ir blokuoti priešinga kryptimi. Tas pats pasakytina apie elektrą, šviesą ar net garsą. Priklausomai nuo to, kaip išlygiuosite putas, garsas gali sklisti viena kryptimi, tačiau jis bus užblokuotas kita kryptimi “, – sakė Alzate-Sanchezas.

Pradeda reaguoti

Siekdama nustatyti būdą, kaip kontroliuoti putplasčio medžiagų ląstelių struktūrą, ypač jėgos anizotropiją, komanda analizavo kiekvieną cheminės reakcijos komponentą, naudojamą polimerui sukurti.

Reakcija prasideda sujungiant monomerą, vadinamą diciklopentadienu arba DCPD; katalizatorius; ir pučiamosios medžiagos, padedančios galutiniam produktui suteikti putų konsistenciją. Šis mišinys, vadinamas derva, supilamas į mėgintuvėlį. Kaitinant mėgintuvėlį, pradedama priekinė polimerizacija – reakcija, kuri sukietina arba sukietina dervą į putplasčio ląsteles. Galutinis produktas yra poli-DCPD, kurio pirminis monomeras DCPD buvo polimerizuotas.

Buvo tikrinamos trys reakcijos sudedamosios dalys: naudojamos pūtimo medžiagos tipas; pūtimo medžiagos koncentracija; ir dervos želėjimo laikas. Geliaciją sukelia fono polimerizacija ir tai reiškia delsos laiką prieš prasidedant priekinei polimerizacijai, kai kambario temperatūros derva mėgintuvėlyje palaipsniui įgauna minkštą, gelio konsistenciją.

Tyrėjai išsiaiškino, kad dervos klampumas – arba jos takumas, tiesioginis jos minkštėjimo geliacijos laikotarpiu rezultatas – yra stipriausias galutinio produkto anizotropijos rodiklis. Kitaip tariant, padidinus arba sumažinus želėjimo laiką, galima tiesiogiai kontroliuoti putų ląstelių struktūrą.

„Šis darbas yra greitas ir efektyvus būdas sukurti kryptines kraujagyslių struktūras iš paprastų komponentų ir procesų“, – sakė Moore’as.

Grupės visas faktorinis eksperimentinis projektas apėmė 100 skirtingų pūtimo agento, koncentracijos ir želėjimo laiko derinių metodinį bandymą ir kiekvieno varianto anizotropijos, kietumo ir akytumo lygio matavimą.

Bendradarbiavimas

Kiekvienas putplasčio mėginys buvo ištirtas rentgeno mikrokompiuterine tomografija. Naujas polimerinių putų sujungimas su mikro-CT vaizdavimu – technologija, kuri paprastai skirta kietoms medžiagoms analizuoti – buvo unikalus bendradarbiavimo projektas, kuriame dalyvavo Mariana Kersh, mechanikos mokslų ir inžinerijos docentė.

„Beckmanui gerai sekasi skatinti kultūrą, kurioje pripažįstame, kad turime daug ko pasimokyti vieni iš kitų, net jei mūsų pritaikymai skiriasi“, – sakė Kershas. „Šis pasikeitimas ir noras sužinoti apie ką nors kita, o ne apie jūsų pagrindinę sritį, reiškė, kad idėja, kad mūsų įrankiai kauluose gali būti naudojami putų poringumui apibūdinti, staiga atrodė akivaizdi ir intuityvi.

Be Alzate-Sanchez, Moore ir Kersh, šio tyrimo bendraautoriai yra absolventas mokslinis asistentas Morganas Cenceris, naujausias medžiagų mokslo ir inžinerijos absolventas Michaelas Rogalskis ir Nancy Sottos, Maybelle Leland Swanlund apdovanota UIUC medžiagų mokslo ir inžinerijos katedra.

Redaktoriaus pastaba:

Su šiuo darbu susijusį dokumentą galima rasti adresu https://doi.org/10.1002/adma.202105821

Norėdami peržiūrėti interaktyvų siužetą, kuriame yra papildomų duomenų taškų, nuotraukų ir skerspjūvio vaizdų, apsilankykite http://frompfoams.web.illinois.edu/

Susisiekite su Jeffrey Moore adresu jsmoore@illinois.edu

Susisiekite su Beckman instituto komunikacijų biuru communications@beckman.illinois.edu

Susisiekite su Jenna Kurtzweil adresu kurtzwe2@illinois.edu


Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.