ИСТИНА

Проект направлен на создание жидкокристаллических эластомеров с перестраиваемыми химическими связями (витримеров) для использования их в технологии получения искусственных мышц. Такие материалы были открыты совсем недавно, при этом они активно изучаются сейчас передовыми научными коллективами. Существует определённая температура (температура витрификации), ниже которой они ведут себя как обычные эластомеры (упругое состояние), а выше которой происходит свободное перестроение химических связей (пластическое состояние), что позволяет изменять форму объекта при одних условиях и фиксировать её при других. На данный момент не существует теоретического объяснения как самого существования витримеров, так и существования температуры витрификации. В ходе выполнения данного проекта мы разработаем теоретический подход, который позволит объяснить данные явления. Совместно с тайваньскими участниками проекта мы разработаем новые жидкокристаллические эластомеры, в которых будет возможен переход от упругого состояния к пластическому и наоборот. При резком переходе из пластического состояния в упругое (например, при уменьшении температуры) материал может запомнить определённую (например, вытянутую) конфигурацию. Эта конфигурация может быть неоптимальной с точки зрения анизотропной части свободной энергии в упругом состоянии, но, тем не менее, она запоминается, поскольку химические связи в упругом состоянии не могут перестраиваться. В отличие от неупорядоченных витримеров, в жидкокристаллических витримерах возможен переход из нематической фазы в изотропную. Нами впервые для витримеров будет изучен изотермический переход из нематической фазы в изотропную при воздействии света. При помощи фотоизомеризации мы сможем обратимо изменять форму материала. На этом эффекте будет основан принцип работы искусственных мышц.

The project is targeted to the creation of liquid-crystal elastomers with the exchangeable chemical links (vitrimers) for their applications in the technology of obtaining artificial muscles. Such materials have been discovered recently, and they are actively studied now by the leading scientific groups all over the world. There is a particular temperature (temperature of vitrification), below which they behave as usual elastomers (elastic state), but above which the free exchange of the chemical bonds starts (plastic state), which makes it possible to change the shape of an object at some conditions and to fix it at different conditions. At present there is no any theoretical explanation for both the existence of vitrimers and the existence of vitrification temperature. In the course of fulfilling this project we will develop the theoretical approach that would to explain these phenomena. Together with Taiwan participants of the project we will develop the new liquid crystal elastomers, in which the transition from plastic state to the elastic state and vice versa will be observed. At an abrupt transition from plastic state to the elastic state (for instance, at the decrease of temperature) the material should remember particular (let us say, elongated) configuration. This configuration can be not optimal from the point of view of anisotropic part of the free energy in the elastic state, but, nevertheless, it should be memorized, because the chemical bonds in the elastic state cannot exchange. In contrast to the case of disordered vitrimers, the nematic-isotropic phase transition can be observed the liquid crystalline vitrimers. The izothermic nematic-isotropic phase transition induced by light irradiation will be investigated for the first time in vitrimers. The reversible shape variation of the material will be observed due to the photoisomerization. This effect will be the basis for the artificial muscles activation.

Создание теоретического подхода к описанию состояния полимерной сетки из мономерных звеньев двух типов, образующих перестраиваемые химические связи. Компьютерное моделирование полимерных систем, в которых возможно состояние с перестраиваемыми химическими связями. Сравнение результатов моделирования с известными теоретическим данными. Синтез новых мономеров для последующей полимеризации и получения систем с возможностью перестроения химических связей. Часть полимеров с возможностью перестроения химических связей также будет получена на первом году. Реализация изотермического перехода из нематической фазы в изотропную в жидкокристаллических полимерах с перестраиваемыми химическими связями.

Коллектив на протяжении многих лет проводит теоретические и экспериментальные исследования в области физики и химии жидких кристаллов и полимеров. За последние несколько лет коллектив получил целый ряд оригинальных результатов, в том числе в рамках выполнения совместных проектов РФФИ и Министерства по науке и технологиям Тайваня (проекты 10-03-13305-РТ_оми «Синтез и исследование полимерных плёнок с настраиваемыми мезогенными наноэлементами для нового поколения дисплеев и фотонных устройств» и 15-59-32410-РТ_оми «Разработка новых жидкокристаллических и полимерных материалов для полноцветных энергосберегающих дисплеев без цветных фильтров - дисплеи с последовательным чередованием цветов подсветки»), а также совместного проекта РНФ и Министерства по науке и технологиям Тайваня (проект 16-43-03010 «Исследование структурных переходов в полимерно-стабилизированных жидких кристаллах, вызываемых световым излучением и адсорбцией, для сенсорных устройств»), в ходе которых были опубликованы фундаментальные работы в высокорейтинговых научных журналах.

Будет создан теоретический подход к описанию состояния полимера из мономерных звеньев с различной функциональностью, образующих перестраиваемые химические связи. Будет разработана модель и теоретическое описание перехода из эластического состояния в пластическое для полимерной системы с перестраиваемыми химическими связями. Будет проведено компьютерное моделирование полимерных систем, в которых возможно состояние с перестраиваемыми химическими связями, а также переходов между состояниями с перестраиваемыми и фиксированными химическими связями. Будет разработан теоретический подход к описанию особенностей жидкокристаллического упорядочения полимерных систем, в которых возможно перестроение химических связей, а также влияния процессов перестроения химических связей на жидкокристаллическое упорядочение. Будут реализованы и описаны изотермические механизмы активации «мышцы» на основе жидкокристаллического витримера (полимера с перестраиваемыми химическими связями), например, при воздействии света на фоточувствительные молекулярные компоненты полимерной системы. Будут синтезированы новые полимерные системы с возможностью перестроения химических связей, оптимизированы их свойства (температурный диапазон существования режима с перестраиваемыми химическими связями, энергия активации, механические свойства). Будут созданы прототипы искусственных мышц на основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований.