Všímáme si

Co jsou 4D materiály? Paměťové polymery, dřevo i těstoviny

Když se bavíme o 4D materiálech, vlastně nejde ani tolik o materiály jako takové, ale o technologie, které nám je umožňují vytvářet. 4D materiály jsou totiž často složené z obyčejných materiálů, se kterými se běžně setkáváme. To, co je nějakým způsobem odlišuje, je jejich konstrukce, která jim dodává nové vlastnosti a umožňuje nám pracovat se čtvrtou dimenzí materiálu – časem. Výhodou 4D materiálů je právě schopnost reagovat na vnější stimulus a měnit svoji podobu během určitého časového úseku. Pod pojmem 4D materiály si můžeme představit vyspělé paměťové polymery, ale jedná se také o textil, kov, dřevo, nebo dokonce těstoviny.

Co jsou 4D materiály? Paměťové polymery, dřevo i těstoviny
Co jsou 4D materiály? Paměťové polymery, dřevo i těstoviny

Text: Václav Ksandr • Úvodní foto: J. Adam Fenster, University of Rochester.

Asi nejstarším příkladem materiálu, který by se dal popsat jako 4D, je bimetalový proužek vynalezený již v 18. století. Bimetalový proužek si rychle našel cestu do teploměrů, které využívaly již zmíněného 4D efektu. Při zahřátí nebo zchlazení totiž dochází k jeho ohýbání. V tomto případě je tedy teplota vnějším vlivem, který spouští 4D efekt materiálu, ohýbání proužku je jeho funkce. Když je bimetalový proužek stočený do spirály, ohýbání se projevuje jako těsnější stáčení nebo uvolňování spirály v závislosti na teplotě, která na ni působí. Po připevnění ručičky teploměru do středu spirály lze tímto způsobem zjistit okolní teplotu.
Teplota je dodnes asi nejčastějším aktivačním stimulem. Paměťové polymery a různé slitiny jsou známé svojí schopností vrátit se do původního tvaru po zdeformování. K tomu ale potřebují zahřát na aktivační teplotu.

paměť materiálu

Například paměťová slitina titanu a niklu je schopná se vrátit do své původní polohy po zahřátí na přibližně 75 °C. Co je ale vlastně tou původní polohou? Poloha, do které se ni-ti slitina (Nitinol) vrací, se nastavuje po zahřátí slitiny na přibližně 500 °C. Při zahřátí na takovou teplotu dojde k přeskládání atomů v její vnitřní struktuře a slitina se pak vždy vrátí do této polohy. Samotná příčina paměťového efektu je poněkud složitější. Zjednodušeně k němu dochází, protože atomy uvnitř slitiny si udržují vazby na své sousedy a nikdy nedojde k jejich naprostému odtržení a posunu jako u jiných kovů.

Paměťové polymery fungují téměř stejně. Jen jejich aktivační a tvárná teplota je daleko menší. Nevýhodou ovšem může být pomalejší reakce na vnější stimulus. To se v roce 2016 rozhodla změnit skupina výzkumníků z MIT a SUTD. Qi Ge, Amir Hosein Sakhaei, Howon Lee, Conner K. Dunn, Nicholas X. Fang & Martin L. Dunn dokázali zmenšit reakční dobu paměťových polymerů na pouhé sekundy, především díky tomu, že na strategických místech materiálu vytvořili detaily o velikosti mikronů (0,001 mm). Dokázali toho použitím technologie Mikro stereolitografie, která používá světla a UV sensitivní pryskyřice pro tisk 3D modelů.

Nitinol: Slitina titanu a niklu reagující na teplo. Photo courtesy Verian Medicial, Ltd.

Jedním z nejnovějších kroků vpřed ve světě paměťových polymerů a velkým příslibem pro prostetické pomůcky jsou umělá svalová vlákna, která vytvořili Mehmet Kanik, Sirma Orguc, Georgios Varnavides, Jinwoo Kim a kolektiv. Jejich inspirací byly vlákna okurkových šlahounů, která hledají místa pro zachycení a tahají rostlinu vzhůru ke Slunci. Výsledkem jejich práce je vlákno tvořené ze dvou polymerů, které mají velmi rozdílnou teplotní roztažnost. Oproti bimetalovému proužku se především liší ve spirálovém zakroucení ve vláknech polymerních materiálů. Taková konstrukce potom umožňuje vytvářet efekt tahu po zahřátí na aktivační teplotu. Ta je v tomto případě opravdu malá, i pouhý dotek a teplo ruky dokáže vlákno aktivovat. V budoucnu by tvůrci rádi zakomponovali optická vlákna anebo jiný způsob zahřívání přímo do materiálu. To by umožnilo vytvářet lehčí prostetické pomůcky s dlouhou životností, jelikož vlákna fungují beze změny i po 10 000 cyklech a jsou schopná nahradit těžké elektronické, nebo hydraulické systémy. Konkurují jim hlavně díky schopnosti vlákna uzvednout až 650 násobek svojí váhy. To se možná nezdá jako moc, pokud jde o jediné vlákno – autoři tohoto 4D materiálu ovšem úspěšně otestovali svazky, které v sobě měly až 100 vláken.

Technologie nizozemské společnosti Unseam, využívající 2D tiskáren. Photo courtesy Unseam

4D efekt v textilních materiálech je většinou přirozenou funkcí obyčejných materiálů. Nizozemská společnost Unseam se rozhodla využívat srážlivosti některých látek, aby vytvořila systém výroby oblečení, který má docílit decentralizace módního průmyslu. Motivací pro vývoj Unseam technologie jsou často špatné pracovní podmínky zaměstnanců v módním průmyslu a jeho dopad na životní prostředí. Cílem Unseam technologie je především zjednodušit výrobu a zavést téměř její úplnou automatizaci. Způsob, jakým k automatizaci výroby přistupují, se liší od tradičních metod. Především protože používají běžně dostupné technologie a 4D materiály. Unseam technologie využívá 2D tiskáren, které tisknou předem definované vzory z nesrážlivého materiálu na pruh látky. Následně se látka i se vzorem vyřízne a projde procesem, kterým se docílí sražení látky. Předem nanesený nesrážlivý materiál zabrání tomuto efektu na některých místech a díky tomu dojde k vytvoření rozdílného napětí přes látku a látka se tak vytvaruje.

Budoucnost je 4D

Dřevěné 4D materiály využívají přirozené vlastnosti dřeva přijímat tekutiny a zvětšovat svůj objem v závislosti na tom, jaká je okolní vlhkost vzduchu. Za normálních podmínek bude neošetřené dřevo pojímat vzdušnou vlhkost do té doby, dokud nebude vzdušná vlhkost a relativní vlhkost ve dřevě stejná. Při tomto procesu může dojít k nechtěnému kroucení dřeva, nebo se tento efekt dá využít pro tvorbu 4D materiálů. Dřevěné materiály mohou docílit 4D efektu buď tím, že využijí bimateriálové konstrukce anebo se mechanicky upraví jejich povrch. Mechanickou úpravou povrchu je myšleno například nařezání materiálu na strategických místech. Pokud je dřevěný materiál někde tenčí, než v okolních částech, dokáže pojmout stejné množství vzdušné vlhkosti. Nedojde tak k velké změně v jeho objemu. To vytvoří rozdílné napětí přes materiál a tím dojde k jeho zkroucení. Pokud jsou zářezy správně nadefinovány, tak je možné kroucení přesně předpovídat, a tak navrhnout materiál využívající 4D efektu. Jedním z často zmiňovaných použití pro dřevěné 4D materiály jsou fasádní prvky, které se za deště uzavřou a za slunečného dne zůstanou otevřené, aby umožnily proudění vzduchu a chlazení budovy.

4D Těstoviny vyrobené za pomociželatiny a pšeničného škrobu. Photo courtesy of Michael Indresano

4D těstoviny se možná mohou zdát jako výmysl, ale Wen Wang, Lining Yao, Chin-Yi Cheng, Teng Zhang, Daniel Levine, Hiroshi Ishii dokázali opak. Pro tvorbu 4D těstovin smíchali pšeničný škrob s želatinou. Želatina totiž velmi dobře pojímá vodu a zvětšuje svůj objem. Tohoto efektu využili pro tvorbu jednoduchých 4D funkcí v těstovinách. Ty bylo možné vytvořit díky tomu, že se tloušťka těstoviny lišila na určitých místech a tím docházelo k různě velkému zvětšení objemu po pojmutí vody, stejně jako je tomu se dřevem. Aby mohli těstoviny ještě lépe programovat, využili vlastnosti celulózy, která naopak vodu nepřijímá tak dobře jako želatina. Tím docílili ještě většího rozdílu v nasycení vodou v některých částech těstoviny a mohli tak vytvořit ještě vetší detaily.

Potenciál 4D materiálů se skrývá především v možnostech decentralizovace výroby a přispění k udržitelnější budoucnosti. Díky tomu, že se jedná o materiály využívající fyzické vlastnosti a nikoliv elektronické součástky, je v mnoha případech možné docílit méně komplexních výrobků se stejnou funkčností a menší váhou. Zároveň takové výrobky dokáží být spolehlivější díky tomu, že k jejich aktivaci nejsou potřeba vysoké teploty a jejich celková operace probíhá pod velmi mírnými podmínkami, tak nedochází k degradaci materiálu teplem či fyzickým stresem.

Instalace pro TED 2012 Long Beach od Skylara Tibbitse a Arthura Olsona nazvaná The Self-Assembly Line. Jedná se o interaktivní model self-assembly viru. Photo courtesy of Skylar Tibbits and Arthur Olson

Výzkumníci z odvětví 4D materiálů si představují budoucnost, kde se vaše auto přizpůsobí dešti tak, že zvýší úhel spoileru, aby zvýšilo přítlak na zadní kola a tím snížilo možnost smyku (Skyllar Tibbits MIT). Svět, kde se operace obejdou bez invazivních zákroků díky chytrým robotům používajícím 4D materiály, nebo lékům, které uvolní účinné látky pouze pokud vaše tělo zvýší svoji teplotu kvůli infekci. Kde solární panely samovolně sledují slunce pro zvýšení účinnosti a kde se sání vzduchu do motorů letadel přizpůsobí rychlosti letu pomocí 4D materiálů. Výsledkem by měla být bezpečnější, efektivnější a udržitelnější budoucnost, kde chytré materiály převezmou role některých elektronických součástek a umožní nám navrhovat produkty, které dokáží více s použitím méně materiálů.