โพลีเมอร์หน่วยความจำรูปร่างสามารถขยายและหดตัวและปรับรูปร่างตัวเองให้กลับเป็นรูปร่างที่แท้จริงได้
BY RAHUL RAO | เผยแพร่ 20 ก.ย. 2564 8:00 น.
ศาสตร์
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้สร้างพอลิเมอร์หน่วยความจำรูปทรงที่แข็งแรงและมีความสามารถมากกว่ารุ่นอื่นๆ ที่เคยมีมาก่อนหน้านี้ ดัดแปลงจาก ACS Central Science 2021, DOI: 10.1021/acscentsci.1c00829
ลองนึกภาพแขนหุ่นยนต์ที่ไม่ต้องการกลไกในการขยับ หรือเครื่องมือผ่าตัดที่สามารถขยายหรือปรับรูปร่างภายในร่างกายได้ แม้ว่ามันอาจจะฟังดูแปลกและน่าพิศวง แต่ก็มีอยู่จริงแล้ว
ช่วยให้ GPS เป็นไปได้
เครื่องมือแปลกประหลาดเหล่านี้ล้วนอาศัยพอลิเมอร์หน่วยความจำรูปร่าง ซึ่งเป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่สามารถแปลงร่างได้เอง ตอนนี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้สร้างพอลิเมอร์หน่วยความจำรูปทรงที่แข็งแรงและมีความสามารถมากกว่ารุ่นอื่นๆ ที่เคยมีมาก่อนหน้านี้ พวกเขาตีพิมพ์ผลงานของพวกเขาเมื่อสัปดาห์ที่แล้วในวารสาร ACS Central Science
Shayla Nikzad นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก Stanford University และหนึ่งในผู้เขียนหลักของรายงานกล่าวว่า “[Shape-memory polymers] ถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในชีวิตของเรามาระยะหนึ่งแล้ว
โพลีเมอร์เป็นโมเลกุลที่ยาวมาก สร้างขึ้นจากโมเลกุลขนาดเล็กจำนวนมากที่เชื่อมโยงกันเป็นสายโซ่ยักษ์ ไม่ใช่เรื่องเกินจริงที่จะคิดว่าพอลิเมอร์ขับเคลื่อนโลกของเรา ดีเอ็นเอเบื้องหลังเซลล์ของคุณคือโพลีเมอร์ ผ้าไหมและเจลาตินยังทำจากโพลีเมอร์ ในชีวิตประจำวันของคุณ คุณมักจะเกิดขึ้นกับโพลีเมอร์ที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งประกอบเป็นพลาสติกและยางสังเคราะห์
โพลีเมอร์หน่วยความจำรูปร่างเป็นโพลีเมอร์ชนิดพิเศษ เมื่อคุณงอพวกมัน โมเลกุลในพอลิเมอร์จะสร้างพันธะพิเศษบางอย่าง และเมื่อคุณสัมผัสกับสิ่งเร้า เช่น แสง ไฟฟ้า หรือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ส่วนใหญ่แล้ว พันธะเหล่านี้จะแตกตัวและยึดพอลิเมอร์กลับคืนสู่สภาพเดิม
กล่าวอีกนัยหนึ่ง รูปร่างของพอลิเมอร์หน่วยความจำ “จำ” รูปร่างเดิมของพวกมัน และสามารถปรับรูปร่างให้กลับเข้าสู่รูปแบบที่แท้จริงได้ วิศวกรหลายคนพบว่าความสามารถนั้นไม่อาจต้านทานได้
Kai James ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศแห่งมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign ซึ่งไม่ใช่นักเขียนกล่าวว่า “ดังนั้นเราจึงสามารถใช้โพลิเมอร์หน่วยความจำรูปร่างเพื่อสร้างอุปกรณ์ … ที่เปลี่ยนรูปร่างโดยไม่ต้องดึงหรือยืดออก บนกระดาษ
หากคุณเคยเล่นกับ Shrinky Dink
คุณเคยเห็นพอลิเมอร์หน่วยความจำรูปร่างทำงานอยู่ เมื่อคุณใส่เข้าไปในเตาอบ มันจะหดตัวและแข็งตัว แน่นอนว่าคุณไม่สามารถเลิกทำ Shrinky Dink ได้อย่างง่ายดายหลังจากนั้น อันที่จริง โพลีเมอร์หน่วยความจำรูปร่างจำนวนมาก “หักกลับ” ไปในทิศทางเดียวเท่านั้น
แต่โพลีเมอร์หน่วยความจำรูปร่างเป็นมากกว่าของเล่นเล็กน้อย พวกมันกำลังสร้างโลกรอบตัวเราในหลายๆ ด้าน สายไฟบางเส้นมีการเคลือบหน่วยความจำรูปร่างที่สามารถหดตัวเพื่อให้ฉนวนลวดดีขึ้น โพลีเมอร์หน่วยความจำรูปทรงในผ้าช่วยให้ระบายอากาศได้ดีขึ้นเมื่อร้อนและกันน้ำได้มากขึ้นเมื่ออากาศเย็น
[ที่เกี่ยวข้อง: ในที่สุดเราก็มี supersolid ที่ใช้งานได้ นี่คือเหตุผลสำคัญ]
นักวิจัยกำลังทำงานเพื่อปรับใช้โพลีเมอร์หน่วยความจำรูปร่างในโรงพยาบาลสำหรับสิ่งต่าง ๆ เช่นเย็บแผลด้วยตนเองและขดลวดที่สามารถพอดีกับหลอดเลือดแดงและขยายได้ ช่วยเพิ่มการไหลเวียนของเลือด
Nikzad และเพื่อนร่วมงานของเธอมีความสนใจเป็นพิเศษในการนำพอลิเมอร์หน่วยความจำรูปร่างไปใช้กับหุ่นยนต์ โดยการสร้างกล้ามเนื้อเทียมจากพวกมัน พวกมันสามารถสร้างแขนหุ่นยนต์ที่ไม่ต้องการกลไกหนักๆ เช่น เครื่องจักรหรือแอคทูเอเตอร์เพื่อเคลื่อนไหว
“แต่อุปสรรคสำคัญอย่างหนึ่ง” นิกซาดกล่าว “เป็นเพียงความจริงที่ว่าวัสดุโดยพื้นฐานแล้วไม่แข็งแรงมาก”
วิศวกรสามารถใช้พอลิเมอร์หน่วยความจำรูปร่างเพื่อสร้างแขนหุ่นยนต์ที่เบาและยืดหยุ่นกว่าแขนกลแบบเดียวกันได้ แต่จะรับน้ำหนักได้ไม่มากหากไม่ได้แตกหักและแตกหัก และรูปร่างของพอลิเมอร์หน่วยความจำที่กลับสู่สภาพเดิมจะไม่มีแรงมากพอที่จะเคลื่อนย้ายหรือยกวัตถุได้
เป็นไปได้ที่จะสร้างพอลิเมอร์หน่วยความจำรูปร่างที่แข็งแรงขึ้น แต่มีข้อดีข้อเสียคือ พวกมันสามารถทำหน้าที่ต่อความยาวที่สั้นเกินไปสำหรับหุ่นยนต์ส่วนใหญ่เท่านั้น ลองนึกภาพแขนเล็กๆ ของไทแรนโนซอรัส เร็กซ์เวอร์ชันไฮเทค
กลุ่ม Stanford ต้องการดูว่าพวกเขาสามารถทำอะไรเกี่ยวกับปริศนานี้ได้หรือไม่ การทำงานร่วมกับนักเคมี เช่น นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาแห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด คริสโตเฟอร์ คูเปอร์ ผู้เขียนคนแรกของหนังสือพิมพ์ฉบับนี้ พวกเขาได้นำพอลิเมอร์ที่มีอยู่ซึ่งเรียกว่า PPG ซึ่งปัจจุบันใช้ทำหนังและเพนท์บอล และปรับปรุงโครงสร้างอะตอมเพื่อช่วยให้อะตอมของสารมีพันธะที่ดีขึ้น จึงสร้าง โมเลกุลใหม่เอี่ยม
Nikazad กล่าวว่า “นั่นคือเคมีอินทรีย์ที่ล้ำหน้าที่สุดของคุณ
