Het geheim van hoe jonge kinderen met gele elastiekjes kunnen spelen en verschillende vormen kunnen maken, is hun veerkracht. Vormgeheugenpolymeren, die vergelijkbare eigenschappen hebben, zijn veelbelovend voor innovatieve toepassingen in een verscheidenheid aan industrieën door gebruik te maken van hun vermogen om terug te keren naar hun oorspronkelijke vorm.
Twee jonge kinderen spelen met een geel elastiekje. Met hun kleine vingers maken ze sterren en schilden en concurreren ze om te zien wie de meeste vormen kan maken. Hoe kunnen ze met één elastiekje zoveel verschillende vormen maken? Het komt omdat elastiekjes graag terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm. Als je het in een stervorm uitrekt en vervolgens loslaat, keert het terug naar zijn oorspronkelijke vorm, zodat je weer een scherpe vorm kunt maken. In dit eenvoudige spel kunnen we gemakkelijk de unieke elasticiteit en veerkracht van elastiekjes waarnemen.
De elasticiteit en veerkracht van elastiekjes kent veel nuttige toepassingen. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt in sportartikelen, kleding en zelfs bouwmaterialen, en dankzij hun eigenschappen hebben ze veel toepassingen in het dagelijks leven. Dankzij hun elasticiteit en veerkracht zijn elastiekjes nuttig in verschillende situaties die een sterke treksterkte en flexibiliteit vereisen. De eigenschappen van elastiekjes breiden het gebruik ervan in ons dagelijks leven uit.
Eén zo'n materiaal dat dezelfde eigenschappen vertoont, is vormgeheugenpolymeer. Vormgeheugenpolymeren zijn polymeren die het vermogen hebben om de vorm van een object te veranderen, maar wanneer de omgeving wordt gecreëerd onder dezelfde omstandigheden als de omgeving waarin het object aanvankelijk werd gevormd, keert het object terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Deze technologie opent innovatieve mogelijkheden op verschillende gebieden, zoals de geneeskunde, de ruimtevaart en de robotica.
Het principe van vormgeheugenpolymeren kan worden verklaard door middel van verknopingspunten, dit zijn punten die polymeerketens chemisch verbinden. Wanneer de positie van de crosslinks verandert als gevolg van vervorming, worden ze intern opgeslagen en keren ze terug naar hun oorspronkelijke vorm. Dit pand heeft een groot potentieel, vooral op medisch gebied. Stents die gebruik maken van polymeren met vormgeheugen kunnen bijvoorbeeld in vernauwde bloedvaten worden ingebracht en vervolgens terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm wanneer ze door het lichaam worden verwarmd om het vat te verwijden.
Laten we dieper ingaan op het principe. Een polymeer met een initiële vorm wordt vervormd en tijdelijk geïmmobiliseerd door de warmte te verhogen of te verlagen. Wanneer warmte wordt toegepast boven een kritische temperatuur, vindt herstel van de tijdelijke vorm plaats en verschijnt de oorspronkelijke vorm. Dit is het vormgeheugeneffect. Het vermogen om de vervorming te herstellen komt van de verandering in entropie, die voortkomt uit de elasticiteit van het polymeer. Entropie is eenvoudigweg de mate van wanorde. Om een analogie te gebruiken: leerlingen tijdens schooluren hebben een lage entropie omdat ze zich in een ordelijke toestand bevinden, terwijl leerlingen tijdens de pauze erg ongeorganiseerd zijn en een hoge entropie hebben. Volgens de tweede wet van de thermodynamica vinden reacties plaats op een manier die de entropie van het hele universum vergroot. Het initiële polymeer bevindt zich in een staat van hoge entropie omdat de moleculaire rangschikking ervan verstoord is, en het vervormen ervan is een onstabiele reactie in de richting van afnemende entropie omdat het de moleculaire rangschikking ordent. Daarom creëert het toepassen van warmte in deze tijdelijk stationaire situatie omstandigheden waarin de entropie toeneemt, zodat deze terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm. Dit is het principe van vormgeheugenpolymeren.
De structuur van een polymeer met vormgeheugen is vergelijkbaar met die van een klimrek of een net. Deze structuur komt meestal voort uit het naast elkaar bestaan van vaste (harde) en omkeerbare (zachte) onderdelen. De omkeerbare fase is het belangrijkste onderdeel van polymeren met vormgeheugen en speelt een elastische rol bij vervorming en herstel. Boven een kritische temperatuur wordt de omkeerbare fase vloeibaar en kan deze vrij bewegen. Wanneer vervorming wordt toegepast op het vormgeheugenpolymeer, worden de polymeerketens uitgelijnd en neemt de entropie af. Deze onstabiele toestand kan worden gehandhaafd door het polymeer onder spanning snel af te koelen. De omkeerbare structurele herschikking van de fase door trekspanning is strikt beperkt bij temperaturen onder een kritische temperatuur, en herstel van de polymeerketens vindt niet plaats.
Vormgeheugenpolymeren zijn flexibel vanwege hun lage dichtheid en hoge elasticiteit, en afhankelijk van de aard van het polymeer kunnen ze ook eigenschappen hebben zoals biocompatibiliteit en biologische afbreekbaarheid. Deze eigenschappen hebben geleid tot het gebruik ervan als composieten met andere materialen in veel toepassingen, waaronder speelgoed en medische apparaten. Momenteel worden ze vaak gebruikt om de oorspronkelijke staat te herstellen door middel van temperatuur, maar andere omstandigheden zoals licht en pH worden nog niet veel gebruikt, dus ze hebben een mooie toekomst.
Vormgeheugenpolymeren hebben ook het potentieel om innovatieve oplossingen te bieden in een verscheidenheid aan industrieën. In de robotica kunnen polymeren met vormgeheugen bijvoorbeeld worden gebruikt om flexibele en aanpasbare kunstmatige spieren te creëren. Deze kunstmatige spieren kunnen natuurlijkere bewegingen mogelijk maken dan traditionele robotonderdelen, waardoor het scala aan toepassingen voor robots wordt uitgebreid.
