Vật liệu polyme nhạy sáng nhanh chóng chuyển thể từ cứng sang mềm

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế loại vật liệu polyme mới có thể tự thay đổi cấu trúc dựa vào nguồn ánh sáng nhận được, nhằm chuyển từ cứng sang mềm hoặc tự khôi phục nếu bị hư hại.

Nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đang chế tạo một loại vật liệu mới mà có thể tự thay đổi dạng vật chất nhanh chóng từ cứng rắn sang mềm dẻo, như biến thành một loại vật liệu khác.

“Mặc dù được làm từ các thành phần giống nhau nhưng loại vật liệu mới này của chúng tôi có nhiều khả năng đặc biệt, không chỉ tự chuyển đổi dạng thể, mà nó còn tự khôi phục nếu bị hư hại”, Jeremiah Johnson, Giáo sư Hóa học tại MIT và là trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết.

Loại vật liệu này bao gồm các phân tử nhạy sáng được sử dụng để thay đổi cấu trúc bên trong của vật liệu. Johnson cho biết loại vật liệu này có thể được sử dụng để làm lớp phủ xe hơi hay vệ tinh nhân tạo vì đặc tính tự khôi phục khi bị hư hỏng của nó.

Cấu trúc phân tử của polyMOC, loại vật liệu có thể tự chuyển từ cứng rắn sang mềm dẻo. (Ảnh: Nature).

Cấu trúc dễ thay đổi

Nhiều đặc tính của polyme như độ cứng và khả năng giãn nỡ được kiểm soát bởi cấu trúc cấu tạo bên trong. Thông thường, một vật chất khi được tạo ra sẽ không thể thay đổi các cấu trúc này, dẫn đến đặc tính của nó là không thay đổi. Lấy thí dụ, ta không thể làm giòn quả bóng cao su nếu không thay đổi thành phần hóa học của nó.

Nhóm nghiên cứu mong muốn tạo được loại vật liệu có thể đảo ngược và thay đổi cấu trúc này để nhanh chóng chuyển đổi giữa hai dạng thể khác nhau. Việc làm này chưa từng được thực hiện trước đây.

Johnson và các cộng sự của mình đã tìm được polyme kim loại-hữu cơ hay polyMOC, là ứng cử viên sáng giá cho loại vật chất mà họ đang mong muốn tạo ra. PolyMOC được tạo thành bởi các cấu trúc giống kim loại nhưng được kết nối với nhau bởi các liên kết polyme linh hoạt.

Loại vật liệu mới được nhóm nghiên cứu tạo ra bằng cách trộn polyme truyền thống với polyMOC, tạo ra một nhóm phân tử có thể liên kết được với một nguyên tử kim loại. Nguyên tử kim loại được sử dụng là Paladi có thể liên kết với bốn nguyên tử khác trong nhóm phân tử kia và tạo thành một tỷ lệ chắc chắn cho vật liệu mới.

Tuy vậy, quá trình này không thể diễn ra trong các điều kiện tự nhiên bên ngoài. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một phân tử nhạy sáng được gọi là DTE mà cho kết hợp với các phân tử đã liên kết. Khi DTE tiếp xúc với ánh sáng tia cực tím, nó tạo ra một vòng tròn bên ngoài nhóm phân tử. Nguyên tử nito được tạo ra và liên kết với paladi khiến các nhóm phân tử tách rời rồi tạo thành các nhóm khác lớn hơn.

Khi chiếu các loại ánh sáng khác nhau, vật liệu sẽ tự thay đổi cấu trúc để có một dạng thể mới. (Ảnh: MIT).

Tiếp đó, khi ánh sáng xanh lục được chiếu vào, các nhóm phân tử lại vỡ ra rồi liên kết lại thành những nhóm nhỏ hơn và thay đổi cấu trúc tổng thể của vật liệu mới. Quá trình này mất 5 giờ để thực hiện và mỗi vật liệu polyMOC chỉ có thể thực hiện được 7 lần. Sau mỗi lần thực hiện, có một lượng nhỏ polyme không thể liên kết, khiến các nhóm phân tử dần tách rời và xa nhau vĩnh viễn.

“Khi các nhóm phân tử bị thu nhỏ, vật liệu sẽ rơi vào trạng thái mềm hơn gấp 10 lần. Lúc bấy giờ, dẫu cho chúng ta có làm nóng chảy và cắt rời, nó cũng sẽ tự khôi phục nhờ các liên kết phân tử chắc chắn, và đây là tính tự khôi phục của vật chất”, ông Johnson cho biết.

Các vật chất có khả năng tự phục hồi khác thường có cấu trúc yếu. Nhưng polyMOC là loại vật liệu có cấu trúc vững, có thể thay đổi trạng thái và tự phục hồi khi bị hư hỏng nhưng vẫn giữ được cấu trúc phân tử vững chắc.

Vật liệu tự phục hồi

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn sử dụng polyme polyethylen glycol (PEG) để tạo ra loại vật liệu mới này. Polyme này có tính chất tự phục hồi khi bị trầy xước hay cắt rời, chúng hy vọng sẽ được ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp nặng trong tương lai. Tuy vậy, các nhà khoa học sẽ thay đổi paladi vì đây là kim loại hiếm và đắt tiền.

Trong tương lai, loại vật chất này sẽ được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi đặc tính dễ thích nghi của nó. (Ảnh: MIT).

“Nhìn xa hơn, khi áp dụng vật liệu này vào vỏ chai nhựa hay cao su, chúng sẽ tự hồi phục về trạng thái ban đầu. Điều này sẽ giúp các chai nhựa ít bị bỏ hơn sau khi sử dụng, từ đó giảm thiểu được một phần rác thải nhựa”, Johnson cho biết.

Loại vật liệu này hiện đang được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, chưa được ra mắt công chúng cũng như không thương mại hóa. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ cải tiến được nhiều hơn để tăng khả năng thay đổi trạng thái và tự phục hồi, nhằm ứng dụng rộng rãi ở các ngành công nghiệp trong tương lai.