Капли жидкости наделили полимер магнитным эффектом памяти формы

Швейцарские ученые создали полимерный материал с включениями жидких капель, содержащими металлические частицы. Такое строение позволяет материалу проявлять аналог классического эффекта памяти формы — при деформации в магнитном поле материал сохраняет новую форму, а если поле исчезает, он быстро возвращает исходную. Кроме того, магнитное поле резко увеличивает прочностные характеристики материала. К примеру, его модуль сдвига возрастает в 30 раз, рассказывают авторы статьи в Advanced Materials.

Классический эффект памяти формы проявляется в сплавах, а также полимерах, и активно используется, к примеру, в медицине. Эффект заключается в том, что деформированный предмет после нагревания до определенной температуры самопроизвольно возвращает свою исходную форму, которую он имел до деформации. В сплавах этот эффект обусловлен наличием термоупругой мартенситной фазы, в которой при нагревании возникают внутренние напряжения, приводящие к возврату формы. Один из недостатков материалов с памятью формы заключается в том, что этот эффект в них, как правило, активируется нагреванием, что не всегда удобно, особенно, если температура перехода высока.

Ученые под руководством Лоры Хейдерман (Laura Heyderman) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали материал, обладающий похожим эффектом, но стимулом для его проявления выступает магнитное поле, а не повышенная температура. Большая часть материала состоит из мягкого полимера полидиметилсилоксана (PDMS). Перед затвердеванием полимера ученые добавили в него капли, состоящие из воды, глицерина и частиц карбонильного железа. После затвердевания полимер образовал пористую структуру с полостями размером порядка десятков микрометров, заполненными жидкостью с железными частицами.

Включения в полимере состоят из магнетореологической жидкости, вязкость которой зависит от величины и направления магнитного поля. Это позволяет увеличивать жесткость материала, меняя величину поля. Кроме того, она зависит и от того, насколько велика доля включений относительно всего материала. К примеру, при поле в один тесла и десятипроцентной доле включений модуль сдвига увеличивается вдвое. Если доля составляет 40 процентов, то при таком же поле модуль увеличивается уже в 30 раз.

Самым примечательным следствием необычного строения является эффект памяти формы. Полимер в материале выступает в качестве стабильной матрицы, а жидкость в качестве программируемой фазы. Если материал поместить в магнитное поле величиной в несколько сотен миллитесла (ученые использовали поле в 600 миллитесла) и деформировать, после деформации он практически полностью сохранит приданную ему форму. Если затем поле исчезает, исходная форма возвращается за несколько секунд. Ученые продемонстрировали эффект на примере отпечатанной надписи, пропадающей после отведения магнита, а также согнутой полоски, распрямляющейся после этого.

В прошлом году ученые создали необычный материал, магнитными свойствами которого можно управлять с помощью нагревания светом. Он состоит из полимерной матрицы и магнитных частиц с низкой точкой Кюри (температура потери ферромагнитных свойств). Если такой материал поднести к магниту, он будет притягиваться к нему, однако после облучения ферромагнитные свойства пропадут и материал вернется в свое изначальное положение. На этом эффекте исследователи создали несколько прототипов, в том числе управляемый магнитный захват и простой двигатель с колесом.

Григорий Копиев