Programmable response and controlled morphing of polymer-based elements

Abstract

Natural structures can respond to external stimuli to trigger particular functionality, in order to perform some tasks (for basic biological functions to occur, to protect themselves, to perform locomotion, etc.). This functional behavior has been naturally encoded within these structures from basic biological processes, and so they are naturally-programmed to behave in a certain way. The increasing demand for smart and responsive devices to be used in many advanced and daily-life applications, has promoted the interest of researchers and engineers in developing synthetic functional materials (smart materials) which, similarly to natural structures, can respond to external stimuli in a functional way in order to meet the specific requirements of the application in turn. In this thesis, the so-called process-microstructure-responsiveness relationship concept is exploited to control and program the mechanical response of innovative synthetic polymer-based functional materials; in fact, thanks to innovative synthesis process (3D printing), the microstructure of a synthetic functional material can be programmed and fabricated in order to encode a specific tailored mechanical responsiveness to the material. The process-dependent material's microstructure offers a wide design space for the development of new functional polymers. To this aim, physics-based models capable to relate the microstructure of a functional material to its responsiveness (as well as to its synthesis process), to support its design through an engineering approach, are proposed. In particular, the theoretical and computational modeling of the process-dependent mechanical response of thermally-responsive Liquid Crystal Elastomer (LCE) materials and of materials obtained through photopolymerization, is considered. It is shown how microscale features of the material, today controllable by means of innovative synthesis and manufacturing processes, can be tuned in order to control and program the shape-morphing of LCE materials under thermal stimuli or the mechanical response of photopolymerized materials.

Le strutture naturali possono rispondere a stimoli esterni in modo da innescare particolari funzionalità, al fine di compiere diverse attività (svolgimento di processi biologici, attivazione di meccanismi di auto-protezione, movimento ecc.). Questo comportamento funzionale è stato codificato in modo naturale all'interno di tali strutture tramite processi biologici che hanno portato alla loro genesi, pertanto esse sono naturalmente programmate per comportarsi in uno specifico modo. L'aumento della domanda di materiali e/o dispositivi intelligenti da utilizzare in svariate applicazioni avanzate o d'uso quotidiano, ha favorito l'interesse di ricercatori ed ingegneri nello sviluppare materiali funzionali sintetici che, in maniera simile alle strutture naturali, possono opportunamente rispondere a stimoli esterni così da garantire il raggiungimento dei requisiti richiesti da una specifica applicazione in un'ottica funzionale. In questo studio, una tale definita relazione processo-microstruttura-risposta, è sfruttata per controllare e programmare la risposta meccanica di materiali funzionali sintetici innovativi a matrice polimerica; infatti, grazie a processi di sintesi e produzione innovativi (come la stampa 3D), la microstruttura di un materiale funzionale sintetico può essere programmata e fabbricata in modo tale da "codificare" la risposta meccanica del materiale in maniera specifica e personalizzabile. La microstruttura del materiale (dipendente dal processo di sintesi) offre un ampio spazio di design per lo sviluppo di nuovi polimeri funzionali. A questo scopo, in questo lavoro sono proposti modelli di tipo physics-based, in grado di mettere in relazione la microstruttura di un materiale funzionale con la sua risposta meccanica (e con il suo processo di sintesi), per supportarne il design attraverso un approccio ingegneristico. In particolare, questo lavoro si concentra sulla modellazione teorica e computazionale della risposta meccanica (process-dependent) di elastomeri in presenza di cristalli liquidi (LCE) sottoposti a stimoli di natura termica e di materiali ottenuti tramite fotopolimerizzazione. Viene mostrato come sia possibile controllare e programmare i cambiamenti di forma di LCEs sottoposti a variazioni termiche o la risposta meccanica di materiali ottenuti tramite fotopolimerizzazione, pilotando in maniera opportuna particolari caratteristiche della microstruttura del materiale, oggi possibile grazie a processi innovativi di sintesi e fabbricazione.