Sähköisesti pehmennettyä nanopaperia

Materiaalitiede ottaa usein mallia luonnosta ja elävien olentojen erityisominaisuuksista, jotka voidaan mahdollisesti siirtää materiaalien malliksi.

Johannes Gutenbergin yliopiston Mainzin (JGU) professori Andreas Waltherin johtama tutkimusryhmä on onnistunut antamaan materiaaleille bioinspiroituneen ominaisuuden: Ohut ja jäykkä nanopaperi muuttuu hetkessä pehmeäksi ja joustavaksi napin painalluksella.

"Olemme varustaneet materiaalin mekanismilla, jossa lujuutta ja jäykkyyttä voidaan moduloida sähköisellä kytkennällä", Walther selittää. Heti kun sähkövirta syötetään, nanopaperi muuttuu pehmeäksi; kun virta loppuu, se palauttaa voimansa. Sovelluksen näkökulmasta tämä vaihdettavuus voi olla mielenkiintoinen esimerkiksi vaimennusmateriaaleille.

Luonnon inspiraatio tulee tässä tapauksessa merikurkuista. Näillä merenelävillä on erityinen puolustusmekanismi: Saalistajien hyökätessä merikurkut voivat vahvistaa kudostaan niin, että niiden pehmeä ulkopinta jäykistyy nopeasti. "Se on mukautuva mekaaninen käyttäytyminen, jota on periaatteessa vaikea jäljitellä", kertoo professori Andreas Walther. Nyt julkaistun työnsä myötä hänen tiiminsä on onnistunut jäljittelemään muunnoksen perusperiaatetta.

Tutkijat käyttivät puiden soluseinästä uutettuja ja käsiteltyjä selluloosananofibrillejä. Nanofibrillit ovat jopa hienompia kuin tavallisen paperin mikrokuidut ja tuloksena on täysin läpinäkyvä, melkein lasimainen paperi. Materiaali on jäykkä ja vahva ja houkutteleva kevyille rakenteille. Sen ominaisuudet ovat jopa verrattavissa alumiiniseosten ominaisuuksiin.

Tutkimusryhmä ohjasi sähköä selluloosananofibrillipohjaisiin nanopapereihin. Erityisen molekyylimuutosten avulla materiaali muuttuu sähkövirran seurauksena joustavaksi ja virran loppuessa materiaali palautuu jäykäksi.

"Tämä on poikkeuksellista. Kaikki ympärillämme olevat materiaalit eivät ole kovin vaihdettavia, ne eivät helposti muutu jäykistä joustaviksi ja päinvastoin. Tässä voimme tasajännitteen avulla tehdä sen yksinkertaisella ja tyylikkäällä tavalla", toteaa Walther.

Molekyylitasolla prosessi käsittää materiaalin kuumentamisen tasavirralla, mikä rikkoo materiaalin ristisilloituspisteitä. Materiaali pehmenee käytetyn jännitteen suhteen. Mitä suurempi jännite, sitä enemmän silloituspisteitä rikkoutuu ja pehmeämmäksi materiaali muuttuu.

Vaikka tällä hetkellä tarvitaan virtalähde, seuraava tavoite olisi tuottaa materiaali, jolla on oma energian varastointijärjestelmä. Tällöin reaktio tapahtuu olennaisesti "sisäisesti" heti, kun esimerkiksi esiintyy ylikuormitusta ja vaimennus on tarpeen, visioi professori Andreas Walther tulevia työsuunnitelmiaan.

Aaiheesta aiemmin:

Kolme mittausta yhdellä selluanturilla

Mikroaaltovahvistin joustavalle puukalvolle

Nanoselluloosa sähköistyy