Жидкий сплав превратил жидкие кристаллы в чувствительный к нажатию актуатор
Китайские исследователи научились создавать полимерные полоски, изгибающиеся при нагревании, растяжении или давлении, а также работающие как датчики деформации. Полоска состоит из жидкокристаллического эластомера, деформирующегося при нагревании, и каналов с жидким при комнатной температуре сплавом, выступающих в качестве электронагревателей. В качестве примера применения авторы сделали захват для небольших предметов с такой конструкцией. Статья опубликована в ACS Applied Materials & Interfaces.
В большинстве устройств, будь то аппараты или роботы, для движения используются электрические моторы или двигатели внутреннего сгорания, создающие вращательное движение, которое при помощи механических передач можно превратить в другое, к примеру, поступательное. В качестве альтернативы моторам исследователи много лет работают над различными деформирующимися актуаторами или искусственными мышцами. Как правило, они представляют собой фрагменты материала, чаще всего полимера, которые сокращаются, расширяются или изгибаются под действием внешнего стимула: изменения температуры, облучения определенной длиной волны или обычным светом и другими. Полимерные актуаторы пока не получили массового распространения, но ученые предполагают, что благодаря эластичности в будущем их можно будет применять в медицине и других областях, в которых актуаторы могут напрямую взаимодействовать с человеком.
Ученые под руководством Чао Чжао (Chao Zhao) и Хун Лю (Hong Liu) из Юго-Восточного университета разработали новый актуатор с необычной конструкцией, способный реагировать на прикосновения. Он представляет собой плоскую полоску и состоит из трех слоев. Нижний слой — жидкокристаллический эластомер. Он состоит из мезогенов — стержневых структурных элементов. Одно из важных свойств этого материала заключается в том, что под действием нагревания или охлаждения мезогены могут менять свою ориентацию.
Чтобы воспользоваться этим свойством, авторы сначала создавали плоские листы ЖК-эластомера со свободно связанными мезогенами, формирующими полидоменную структуру с множеством областей, в которых есть локальная ориентация, но без глобальной единой ориентации на уровне всего листа. Затем они растягивали лист в несколько раз вдоль одного направления, ориентируя мезогены соответствующим образом, и фотополимеризовали его, связывая молекулы между собой и фиксируя строение материала.
Над нижним слоем из ЖК-эластомера располагается слой жидкого при комнатной температуре сплава, состоящего из галлия и индия, а также добавленных частицах никеля. Их исследователи добавили для того, чтобы при помощи магнита расположить на поверхности эластомера в форме линий. Они нанесли на ЖК-эластомер тонкую пленку и вырезали в ней дорожки для сплава, практически не задевая при этом нижний слой. Затем они нанесли внутрь дорожек сплав, притягивая его к нижнему слою с помощью магнита, чтобы он полностью заполнил дорожки. После этого ученые удалили временную пленку, в которой были вырезаны дорожки, и нанесли третий слой — тонкую силиконовую пленку с термохромным веществом, меняющим цвет при нагревании.
Такая конструкция по сути представляет собой резистивный нагреватель с переменным сопротивлением. При нагревании ориентированная структура из мезогенов переходит в разориентированное состояние. Из-за этого жидкокристаллический слой сокращается, а поскольку сверху на нем закреплен слой силиконовый слой, сохраняющий свои размеры, вместе они начинают изгибаться из-за образующейся разницы в длине.
На основе этой конструкции авторы создали несколько устройств-прототипов. Один из них представляет собой полоску, в которой есть цепь с двумя одинаковыми параллельными фрагментами из жидкого сплава. При нажатии пальцем на один из них ток во втором увеличивается, а значит и нагревание тоже происходит интенсивнее, поэтому эта часть полоски изгибается.
Используя аналогичную конструкцию, но с короткой дорожкой между двух длинных параллельных фрагментов цепи, авторы создали автоматический захват, который активируется, когда какой-либо предмет упирается в его центр, увеличивая тем самым ток в боковых ответвлениях и провоцируя их изгиб. Кроме того, они показали, что растяжение также можно использовать для увеличения нагрева в некоторых частях актуатора и их активации.
Ученые использовали в своей работе непрозрачные материалы, но ранее другая группа научилась создавать из жидкого сплава прозрачный, электропроводный и эластичный материал. Они добились этого благодаря тому, что использовали крайне тонкие дорожки из сплава.
Григорий Копиев
Для этого они сплели сеть из стальной проволоки и обработали ее лазером
Канадские ученые создали покрытие с гидрофобными и антиобледенительными свойствами как у перьев пингвина. Это пористая сеть из стальной проволоки, поверхность которой дополнительно текстурирована лазером. При замерзании воды каждая пора становится центром механического напряжения, и во всей ледяной корке появляются маленькие трещины, которые потом растут и расширяются, и в итоге лед отваливается. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.Обледенение создает человечеству множество проблем: от необходимости раньше вставать зимой, чтобы успеть прогреть машину до крупных аварий из-за обрывов проводов и затруднения авиасообщения. Чаще всего ледяную корку удаляют механически либо топят с помощью нагревания и обработки спиртовыми растворами с низкой температурой замерзания. Однако, ученые работают и над созданием так называемых пассивных антиобледенительных материалов, сама структура которых затрудняет образование ледяного слоя. Чтобы сделать такое покрытие, нужно выполнить два частично противоречащих друг другу требования — уменьшить адгезию (сцепление) для твердого льда и жидкой воды. Для отталкивания воды ученые разрабатывают текстурированные поверхности с воздушной прослойкой между твердой и жидкой фазами. В этом случае время контакта воды с подложкой ограничено, и лед зачастую не успевает образоваться. Однако, если часть воды все же замерзла, на первый план выходит снижение адгезии льда — и здесь лучшие результаты показывают уже не текстурированные, а гладкие поверхности. Кроме того, гидрофобность большинства материалов зависит от температуры и влажности, а сами текстуры часто бывают хрупкими и теряют свои свойства после нескольких циклов удаления льда. Это делает разработку практичных антиоблединительных покрытий еще труднее.Энн Китциг (Anne Kietzig) и из ее коллеги из Университета МакГилл в Квебеке решили подойти к проблеме с другой стороны — сделать не такое покрытие, на котором ледяная корка никогда не образуется, а такое, с которого эта корка всегда будет легко отваливаться за счет образования трещин. Для этого надо было изучить, как зарождаются и растут трещины между слоем льда и подложкой и в самом слое льда, а также выяснить, какие свойства подложки этот процесс ускоряют. В итоге структуру материала Китциг и ее коллеги подсмотрели у оперения пингвинов Гумбольдта (Spheniscus humboldti). Эти птицы проводят много времени, охотясь в ледяной воде, но их оперение остается свободным ото льда, да и вода на нем долго не задерживается. Перо пингвина состоит из центрального стержня от которые отходят параллельные отростки (длиной до 1 сантиметра), а от них — отростки поменьше (длиной 10-20 микрометров). Поверхность больших и маленьких отростков покрыта параллельными бороздками на расстоянии примерно 0,5 микрометра друг от друга. Китциг и ее коллеги предположили, что пористая микрометровая структура способствует образованию трещин, а более мелкие бороздки в сочетании с гидрофобным кожным жиром обеспечивают водоотталкивающие свойства.Чтобы создать похожий пористый материал, ученые сначала сплели сетку из стальной проволоки. Экспериментируя с плотностью плетения, Китциг и ее коллеги получили материал с порами размером от семи до пятнадцати микрометров. Затем готовые сетки дополнительно обработали лазером, в результате на металле образовались периодические структуры ([laser-induced periodic surface structures, LIPSS) — бороздки высотой около одного микрометра на расстоянии 0,5 микрометра друг от друга, очень похожие на те, которые покрывают перья пингвинов. Роль гидрофобного жира в новом материале выполнял тонкий гидрофобный углеродистый слой, который вырастили на готовых LIPSS-текстурах с помощью обработки горячим углекислым газом. Чтобы изолировать вклад химии и текстурирования, ученые сделали также образцы и с гидрофильным оксидным покрытием и контрольную группу вообще без покрытия. Материалы показали отличные водоотталкивающие свойства: до обработки лазером сетки имели краевой угол смачивания 120 градусов, с LIPSS-текстурами и гидрофобным покрытием — до 150 градусов. Гидрофобность оказалось достаточно стабильной: контактный угол не менялся после пяти циклов замерзания и стряхивания льда. Эксперименты по стряхиванию льда проводили двумя способами — с помощью настольного прибора собственной конструкции и в аэродинамической трубе при температуре −20 градусов Цельсия (так ученые имитировали атмосферное обледенение при полете самолета). Все образцы отлично стряхивали лед — на 95 процентов эффективнее, чем нетекстурированная сталь в тех же условиях. Адгезия льда тоже была значительно ниже — 10-15 кПа против 600 кПа у нетекстурированной стали. (Считается, что для пассивного удаления льда достаточно снизить адгезию до 20 кПа). Рекордсменом оказался образец с самым «рыхлым» плетением, то есть с самым большим объемом пор. Авторы особо отметили, что LIPSS-текстурирование не увеличивало адгезию льда: напротив, в некоторых случаях образцы с LIPSS стряхивали воду даже более эффективно. Наличие гидрофобного и гидрофильного покрытий тоже лишь в небольшой степени влияло на результат. Авторы предположили такой механизм стряхивания льда: замерзание идет с выделением тепла, которое надо куда-то передать. Снаружи теплообмен происходит быстрее, поэтому лед над поверхностью пор образуется раньше, чем в глубине пор. В определенный момент жидкая вода в глубине поры оказывается погребена под слоем уже сформировавшегося льда. Когда, наконец, и эта последняя вода замерзает и расширяется (так как плотность льда ниже плотности воды), в слое льда над каждой порой возникает механическое напряжение. По мере накопления напряжения по всему материалу образуются первые трещины. Постепенно трещин становится больше, а сетчатая текстура помогает им вырасти и распространиться, и, наконец, слой льда теряет целостность и отделяется от поверхности материала. Чем больше объем пор, тем быстрее идет это процесс. Таким образом, Китциг и ее коллегам впервые удалось соединить в одном материале водоотталкивающие и антиобледенительные свойства. Авторы также отмечают, что все полученные материалы стабильны и их можно будет нагревать, механически чистить, то есть использовать все традиционные способы борьбы с обледенением.Ученые уже не в первый раз подсматривают у природы идеи для разработки гидрофобных материалов. Например, в 2019 году японские материаловеды создали покрытие, напоминающее кожу рыбы-ежа. Материал из звездообразных частиц оксида цинка в мягкой полимерной матрице, выдерживал нагревание до температуры 110 градусов Цельсия и оставался супергидрофобным даже после тысячи циклов трения и сгибания.