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    存儲能量是以前的6倍,高能形狀記憶聚合物為機器人打造有力肌肉
    2021-09-09 16:09
    來源:科技日報
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      拉伸或變形的形狀記憶聚合物在加熱或光照后,會恢復到原來的形狀,這些材料已在柔性機器人、智能生物醫學設備、可展開空間結構等方面展現出巨大潛力。但是目前,它們儲存的能量還不能滿足需求。據《美國化學會中心科學》期刊8日報道,研究人員現已開發出一種形狀記憶聚合物,其存儲的能量幾乎是以前版本的6倍。

       

        由拉伸形狀記憶聚合物制成的人造肌肉,在加熱時收縮并彎曲人體模型的手臂。 

      圖源:《美國化學會中心科學》 

        形狀記憶聚合物可在原始未變形狀態和二次變形狀態之間交替。變形狀態通過拉伸聚合物形成,并通過分子變化保持在適當的位置,例如動態鍵合網絡或應變誘導結晶,這些變化可通過熱或光逆轉,聚合物通過釋放存儲的熵能恢復到其原始狀態。但這需要聚合物儲存大量能源。于是,研究人員想要開發一種新型形狀記憶聚合物,可以拉伸成穩定的、高度拉長的狀態,使其在恢復到原始狀態時釋放大量能量。

      美國斯坦福大學科學家領導的研究團隊此次將4,4'-亞甲基雙(苯基脲)單元結合到丙二醇聚合物骨架中。在原始狀態下,聚合物鏈是纏結和無序的。拉伸導致鏈對齊并在尿素基團之間形成氫鍵,從而產生穩定的高度伸長狀態的超分子結構。加熱會導致鍵斷裂,聚合物收縮至其初始無序狀態。

      在測試中,該聚合物可拉伸至其原始長度的5倍,并儲存高達17.9焦/克的能量——幾乎是之前形狀記憶聚合物的6倍。研究團隊證明,拉伸后的材料可利用這種能量在加熱時舉起自身重量5000倍的物體。

      研究人員還將預拉伸的聚合物連接到木制人體模型的上臂和下臂,用作人造肌肉。加熱時,材料收縮導致人體模型在肘部彎曲手臂。研究人員表示,除了創紀錄的高能量密度外,形狀記憶聚合物價格也很便宜,原材料成本約為每磅11美元,且易于制造。

     

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