Programmable liquid crystal material responds to external stimuli / Il materiale programmabile a cristalli liquidi risponde a stimoli esterni

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

TheLCEs are shown here cast into heaxagonal shapes thar deform in response to heat. /  Le ECL sono mostrate qui espresse in forme esagonali che si deformano in risposta al calore Credit: Wyss Institute at Harvard University

Harvard team uses magnetic fields to control the molecular structure of materials containing microscopic liquid crystals that move and stretch in any direction in response to their environment, such as solar panels whose microstructure follows the sun

Inspired by natural microstructures whose movement gives materials and expected properties, such as the highly flexible hair-like features which make gecko’s feet sticky, researchers at the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering and the John A Paulson School of Engineering and Applied Sciences at Harvard investigated liquid-crystal elastomers (LCEs), materials whose molecular structure contains flexible, stretchy polymers with internal crystalline elements that dictate the directions in which the elastomeric sections can move and stretch. Until now, synthetic LCEs have mostly only been able to deform in one or two directions.

The team, directed by Joanna Aizenberg and Yuxing Yao, experimented with synthesising LCEs in a magnetic field which could be manipulated as the materials formed. The field influenced the orientation of the liquid crystal elements, and this orientation was maintained once the polymer had solidified. This orientation dictated how the material would deform when heated to a temperature that disrupted the structure of liquid-crystal elements. When cooled, however, the material would return to its original shape, which was dictated by casting the forming polymer.

“What’s critical about this project is that we are able to control the molecular structure by aligning liquid crystals in an arbitrary direction in 3D space, allowing us to program nearly any shape into the geometry of the material itself,” said Yao, who is first author on a paper describing the work in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Among the possibilities for these structures are encrypted messages that can only be read when the material is heated to a specific temperature, such as with actuators for soft robots, or adhesive materials whose stickiness can be switched on and off. Manipulation of the magnetic fields during the polymer formation could programme in unique motions, for example by exposing different regions of the forming polymer to multiple magnetic fields: this could result in a structure that can be bent in different directions along its dimensions when heated.

One particularly intriguing property was achieved by incorporating light-sensitive cross-linking molecules into the polymer during polymerisation. When the solidified polymer was exposed to light, its shape bent towards the light, and if the light moved, it moved in response and tracked the movement. Additionally, polymers could be created that responded to both heat and light, creating a single-material object capable of multiple forms of movement and response mechanisms.

The team suggests that such material could be used to create a solar panel covered in microstructures that will follow the sun as it moves across the sky during the day, maximising the amount of solar energy the panel captures. Similarly, depending on the properties of the cross-linker, it could form a material that would autonomously track the source of radio signals; it could also form the basis of multilevel encryption, components for sensors, and materials for smart buildings.

ITALIANO

Il gruppo di Harvard utilizza campi magnetici per controllare la struttura molecolare di materiali contenenti microscopici cristalli liquidi che si muovono e si estendono in qualsiasi direzione in risposta al loro ambiente, come i pannelli solari la cui microstruttura segue il sole

Ispirato da microstrutture naturali il cui movimento conferisce materiali e proprietà attese, come le caratteristiche altamente flessibili dei capelli che rendono appiccicaticci i piedi del geco, i ricercatori dell'Istituto Wyss per Biologically Inspired Engineering e della John A Paulson School of Engineering and Applied Sciences di Harvard hanno studiato elastomeri a cristalli liquidi (LCE), materiali la cui struttura molecolare contiene polimeri flessibili elastici con elementi cristallini interni che determinano le direzioni in cui le sezioni elastomeriche possono muoversi e allungarsi. Fino ad ora, i LCE sintetici erano stati in grado di deformarsi solo in una o due direzioni.

Il gruppo, diretto da Joanna Aizenberg e Yuxing Yao, ha sperimentato la sintesi di LCE in un campo magnetico che poteva essere manipolato mentre i materiali si formavano. Il campo ha influenzato l'orientamento degli elementi a cristalli liquidi e questo orientamento è stato mantenuto una volta che il polimero si è solidificato. Questo orientamento ha dettato il modo in cui il materiale si deformerebbe se riscaldato a una temperatura che avrebbe distrutto la struttura degli elementi a cristalli liquidi. Una volta raffreddato, tuttavia, il materiale tornerebbe alla sua forma originale, che è stata dettata dalla fusione del polimero di formazione.

"La cosa fondamentale di questo progetto è che siamo in grado di controllare la struttura molecolare allineando i cristalli liquidi in una direzione arbitraria nello spazio 3D, permettendoci di programmare quasi ogni forma nella geometria del materiale stesso", ha detto Yao, che è il primo autore su un documento che descrive il lavoro in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Tra le possibilità di queste strutture vi sono messaggi criptati che possono essere letti solo quando il materiale viene riscaldato a una temperatura specifica, ad esempio con attuatori per robot morbidi, o materiali adesivi la cui appiccicosità può essere accesa e spenta. La manipolazione dei campi magnetici durante la formazione del polimero potrebbe programmare in movimenti unici, ad esempio esponendo diverse regioni del polimero di formazione a più campi magnetici: ciò potrebbe provocare una struttura che può essere piegata in direzioni diverse lungo le sue dimensioni quando viene riscaldata.

Una proprietà particolarmente intrigante è stata ottenuta incorporando molecole di reticolazione sensibili alla luce nel polimero durante la polimerizzazione. Quando il polimero solidificato fu esposto alla luce, la sua forma si piegò verso la luce, e se la luce si mosse, si mosse in risposta e seguì il movimento. Inoltre, è possibile creare polimeri che rispondono al calore e alla luce, creando un oggetto monomateriale capace di molteplici forme di movimento e meccanismi di risposta.

Il gruppo suggerisce che tale materiale potrebbe essere utilizzato per creare un pannello solare coperto da microstrutture che seguirà il sole mentre si muove attraverso il cielo durante il giorno, massimizzando la quantità di energia solare catturata dal pannello. Allo stesso modo, a seconda delle proprietà del cross-linker, potrebbe formare un materiale in grado di tracciare autonomamente la fonte dei segnali radio; potrebbe anche costituire la base della crittografia multilivello, componenti per sensori e materiali per edifici intelligenti.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/programmable-liquid-crystal-material/?cmpid=tenews_6831524&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79