En elektrisk puls ökar materialets volym 100 gånger

Material som ändrar sin volym beroende på temperaturen eller pH-värde har funnits länge. Materialen används i ställdon - fönster i växthus som automatiskt öppnas och stängs beroende på temperaturen är ett exempel - de används i robotar och i andra elektromekaniska system liksom inom biomedicinen. En egenskap forskarna dock länge har sökt är att med hjälp av en elektrisk signal kunna omvandla ett material från en fast form till en gel, och gärna tillbaka igen. Målet är att elektriskt kunna kontrollera volymen, något som forskare har lyckats med tidigare, men hittills har volymen som mest kunnat dubblas.

Nytt material

Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik, Campus Norrköping, har nu upptäckt ett nytt material, en ledande polymer, som kan öka sin volym mer än 100 gånger. Materialet har de tagit fram i samarbete med forskare vid Imperial College i London. Förändringen i volym sker när materialet befinner sig i en elektrolyt och samtidigt utsätts för en elektrisk signal på låga + 0,8 V. Får materialet istället en negativ puls, - 0,8 V, drar det ihop sig igen, nästan hela vägen till sin ursprungliga form. 

Detta är en betydligt större volymförändring än de som rapporterats tidigare, såväl i ledande polymerer som i andra material där en elektrisk signal styr förändringen i volym.

Materialet som både ökar och minskar sin volym när det utsätts för en svag elektrisk puls Foto THOR BALKHEDI experiment utförda av Johannes Gladisch och Eleni Stavrinidou, forskare vid Linköpings universitet, har den ledande polymeren lagts som en mikrometertunn film runt en elektriskt ledande kolfiber (se videon). Vid strömpulser på +0,5 V och +0,8 V ändrar materialet struktur, det tar upp vatten och blir till en gel som sväller 14 respektive 120 gånger den ursprungliga volymen. Vid återkommande pulser på +/- 0,5 V sväller materialet ungefär 300 procent, tre gånger sin egen volym, för att sedan gå tillbaka igen, gång på gång.

Elektroniskt styrda porer

I artikeln, som publicerats i Advanced Science, beskriver forskarna också en applikation, en smart svamp eller ett filter, där de elektroniskt kan kontrollera svällningen, och därmed förändra porstorleken med 85 procent.

– Vi kan elektroniskt styra porstorleken i ett filter och aktivt kontrollera hur stora partiklar som kan släppas igenom. Filtrets egenskaper kan ändras dynamiskt och släppa igenom olika typer eller olika storlekar av partiklar. Det är en funktion som kan komma till användning vid siktning, filtrering, rening eller inom processkemin. Applikationer inom medicin och biokemi kan också vara möjliga, säger Magnus Berggren, professor i organisk elektronik och föreståndare för Laboratoriet för organisk elektronik.

Reversible Electronic Solid-Gel Switching of a Conjugated Polymer,
Johannes Gladisch, Eleni Stavrinidou, Sarbani Ghosh, Alexander Giovannitti, Maximilian Moser, Igor Zozoulenko, Iain McCulloch and Magnus Berggren. Advanced Science, 2019,
DOI 10.1002/advs.201901144

Eleni Stavrinidou, Johannes Gladisch och Magnus Berggren Foto Fotomontage: THOR BALKHED

Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Wallenberg Wood Science Center, Vetenskapsrådet samt den strategiska satsningen på Avancerade Funktionella Material, AFM, vid LiU.