Materiały kontrolowane światłem dla miękkiej robotyki

Materiały kontrolowane światłem dla miękkiej robotyki (COMFORT) – tematyka badań obejmuje następujące dziedziny: nauki fizyczne, nauki chemiczne, inżynierię materiałową, inżynierię chemiczną.
Kierownikiem jest dr hab. Beata Derkowska-Zielińska, prof. UMK.

Badania prowadzone w ramach Grupy Naukowej COMFORT (dalej Grupa) mają charakter interdyscyplinarny. Wykorzystując doświadczenie członków grupy z Wydziału Chemii UMK (WCh UMK) w syntezie materiałów organicznych planowane jest przygotowanie nowych materiałów zawierających azobenzen reagujących na światło. Zaproponowane foto-aktywne materiały będą badane przez naukowców z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK (WFAiIS UMK) metodami optyki liniowej i nieliniowej w celu zoptymalizowania własności niezbędnych do zastosowania takich materiałów w miękkiej robotyce.
Nowo powołana Grupa będzie rozwijała na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK rozwój miękkiej robotyki (SR).
W ramach Grupy przewidziana jest ścisła współpraca między naukowcami z WFAiIS UMK oraz z WCh UMK, a także bliska współpraca z aktualnymi i nowymi partnerami zagranicznymi, m.in. z Japonii, Francji, Austrii, Włoch, Słowenii, Słowacji, Czech, Niemiec i Finlandii.

Materiały kontrolowane światłem dla miękkiej robotyki

W ostatnich latach nastąpił znaczny wzrost zainteresowania rozwojem materiałów naśladujących ruchy występujące w przyrodzie. W wyniku ewolucji, stworzenia, aby przetrwać, musiały zaadoptować się wykorzystując bodźce środowiskowe. Ludzie kopiują najlepsze rozwiązania z natury/przyrody za pomocą „nieelastycznych” robotów, gdzie sztywne segmenty ograniczają możliwości adaptacyjne i wszechstronność urządzeń. Natomiast, miękkie roboty, w całości złożone z elastycznych polimerów, lepiej naśladują żywe organizmy swoją elastyczną konstrukcją. Aby uwolnić roboty od łączenia ich z zewnętrznymi, ciężkimi jednostkami sterującymi, konieczne jest zastosowanie polimerów reagujących na bodźce, które ulegają makroskopowej deformacji w odpowiedzi na zdalne wyzwalanie. Takie materiały mogą przekształcić energię zawartą w bodźcach chemicznych lub fizycznych w makroskopowe odkształcenie. Wśród wielu stymulatorów duże zainteresowanie wzbudziło światło, które jest zdalnym, nieinwazyjnym i precyzyjnym bodźcem aktywującym. Chociaż wiele materiałów światłoczułych zostało już opracowanych i zbadanych w miękkiej robotyce, jednak szeroki wachlarz możliwych zastosowań oraz postęp w nanotechnologii i nanonauce pozwala na wytwarzanie nowych materiałów, które mogą przewyższać te, które zostały zaproponowane dotychczas.
Grupa będzie zajmować się:

• projektowaniem i syntezą nowych reagujących na światło polimerów zawierających azobenzen (tj. azobenzene-containing light-responsive polymers – ALRP) do miękkiej robotyki
  Korzystając z doświadczenia naukowców z WCh UMK, specjalizujących się w chemii chalkogenidów, Grupa rozpoczyna badania nad wysoce wydajnymi azo-selenoorganicznymi materiałami do miękkiej robotyki. Niesymetryczne pochodne azowe funkcjonalizowane grupą alkiloselenową zostaną zsyntetyzowane poprzez sprzęganie azowe 8-hydroksychinoliny z aromatycznymi lub alifatycznymi p-aminofenyloselenidami (azoselenidy). Kolejna grupa niesymetrycznych pochodnych azowych, posiadających w swojej strukturze pierścień selenazolu, zostanie otrzymana poprzez sprzęganie azowe 1,3-selenazolo-2-amin z różnymi p-podstawionymi anilinami.
  Grupa hydroksylowana chinoliny w strukturze otrzymanych azoselenidów oraz pierwszorzędowa grupa aminowa pierścienia selenazolu zostaną następnie przekształcone w odpowiedni ester oraz amid metakrylowy. Nienasycone wiązanie podwójne zsyntetyzowanej pochodnej metakrylanu zostanie wykorzystane w reakcji polimeryzacji w celu wytworzenia finalnego Se-polimeru. Tak zaprojektowane materiały łączące światłoczułą funkcję azową z rusztowaniem selenoorganicznym będą wykorzystywane w miękkiej robotyce jako azo-materiały reagujące na aktywację światłem (ALRP).

• badaniem materiałów kontrolowanych światłem
  Grupa przeprowadzi kompleksowe badania właściwości optycznych i ich zmian pod wpływem oddziaływania ze światłem o odpowiedniej długości fali dla nowo zsyntetyzowanych ALRP.
  Powszechnie wiadomo, że jedną z bardziej znaczących cech charakterystycznych związku azowego są dwie formy azobenzenu (trans i cis) oraz jego zdolność do odwracalnej foto-izomeryzacji pomiędzy termicznie stabilnym stanem trans i metastabilnym stanem cis po naświetleniu światłem o odpowiedniej długości fali. Izomeryzacja powoduje zmiany strukturalne w konfiguracji azobenzenu i znacząco wpływa na jego właściwości spektroskopowe, foto-fizyczne i fizyko-chemiczne. Jest to klucz do wyjątkowych efektów optycznych i foto-mechanicznych obserwowanych w barwnikach azowych. Aby zaobserwować taki efekt, materiał musi absorbować światło, dlatego znajomość właściwości optycznych odgrywa kluczową rolę w projektowaniu, a następnie w syntetyzowaniu materiałów nowej generacji do miękkiej robotyki.
  Aktywacja ALRP, po wystawieniu na napromieniowanie światłem spolaryzowanym, może przejawiać się poprzez foto-reorientację (trans – cis – trans) ze względu na prawie równoważną absorpcję izomerów trans i cis przy wybranych długościach fal. Dodatkowo aktywacja barwników ALRP może powodować pośrednie stany deformacji, które są chwilowo stabilne, nawet po usunięciu oświetlenia, ponieważ barwniki fotochromowe pozostają w indukowanym światłem stanie cis, dopóki nie powrócą do swojego początkowego stabilnego stanu trans. Taka czysta fotochemia prowadzi do wielu niezwykłych efektów przełączania i reagowania molekuł na oświetlanie, które można zaobserwować w tych systemach.
  W badaniach będą wykorzystywane optyczne metody pomiarowe, m.in.: tworzenie dyfrakcyjnych siatek powierzchniowych (surface-relief grating formation), polaryzacja metodą optyczną (all-optical poling), generowanie trzeciej harmonicznej (third-harmonic generation), Z-scan, fotoindukowana dwójłomność (photoinduced birefringence).

• demonstracją zastosowań SR
  Jednym z kluczowych kierunków rozwoju grupy jest przeprowadzenie eksperymentu rejestrującego zmiany kształtu ALRP (naniesionego na elastyczne podłoże) pod wpływem oświetlenia. Poddana działaniu światła, struktura materiału zawierającego barwniki azobenzenowe podlega zmianom w wyniku siły jaką molekuły barwnika wywierają na otaczającą sieć polimeru poprzez przechodzenia od stabilnego izomeru trans do metastabilnego stanu cis. Siła ta jest określana jako „naprężenie sieciowe” lub „efekt push-pull” i powoduje zaburzenie porządku molekularnego, powodując skurcz wzdłuż kierunku molekularnego i prostopadłe rozszerzenie. Efektowi takiemu często towarzyszy tworzenie się wolnej objętości reprezentującej zmiany objętości cząsteczkowej. To z kolei można wykorzystać do zaprojektowania urządzeń, które wyginają się lub poruszają pod wpływem światła. Dlatego do sterowania urządzeniem można użyć światła o określonej długości fali. Włączenie takich molekularnych foto-przełączników do światłoczułych polimerów pozwala więc na przeniesienie zaabsorbowanej energii świetlnej na pracę mechaniczną, co czyni takie materiały doskonałymi kandydatami do zastosowań w SR.