Team henter inspiration fra naturlige vidundere til at lave nye materialer

En lille børsteorm, vrider sig rundt i havet, kan strække kæben uden for munden for at fange sit bytte. Ormens formskiftende kæbe, stiv i bunden og fleksibel i enden, er lavet af et enkelt materiale indeholdende mineralet zink og aminosyren histidin, som tilsammen styrer leddets mekaniske adfærd gennem en såkaldt metalkoordinationskemi.

Forskere som LaShanda Korley, Distinguished Associate Professor of Materials Science and Engineering and Chemical and Biomolecular Engineering ved University of Delaware, ønsker at genskabe disse kemier og bygge lignende strukturer i syntetiske materialer. Ved at gøre det, de kan udvikle nye, forbedrede materialer til brug i sensorer, sundhedsapplikationer, og meget mere. Kemier som disse er allestedsnærværende i naturen. Jern-protein-interaktionen i humant blod, for eksempel, kan være en sygdomsdeterminant.

I et papir offentliggjort i juli 2019-udgaven af European Polymer Journal , Korley, sammen med materialevidenskab og ingeniørdoktorand Chase Thompson og post-doc Sourav Chatterjee, beskrev, hvordan de byggede et netværk af materialer, lavet af zink og polymerer, der efterlignede den mekaniske gradient af en børsteorms kæbe.

Dette projekt, kulminationen på mere end fem års arbejde, blev finansieret af et tilskud fra National Science Foundation. Målet er at bruge naturlige materialesystemer til at forstå, hvordan man kontrollerer samspillet mellem strukturelle træk, især mekaniske egenskaber, ved at kombinere dynamiske og permanente strukturer, sagde Korley.

"Ideen er:Kan du sammensætte to ting, der ikke rigtig kan lide hinanden, og bruge denne idé om dynamik som en måde at kontrollere, hvordan energi frigives i systemet? som er relateret til den mekaniske adfærd?" sagde hun.

Holdet efterlignede arkitekturen af ​​børsteormens kæbesystem ved at tilføje en zink-koordineret supramolekylær polymer i et kovalent tværbundet polyethylenglycol-netværk. Med de rigtige koncentrationer, de fandt ud af, at de kunne styre materialets mekaniske egenskaber. "Det permanente netværk, som vi bruger til at huse disse dynamiske interaktioner, er en god platform til at opnå disse gradientstrukturer, " sagde Thompson. Dernæst, han planlægger at undersøge måder at påvirke formhukommelse og andre egenskaber ved disse materialer.

Korley bruger inspiration fra naturen til at designe en række forskellige materialer. Hun er hovedefterforsker af PIRE:Bio-inspirerede materialer og systemer, et femårigt, 5,5 millioner dollars tilskud fra National Science Foundation.

Gennem dette projekt, Korley og samarbejdspartnere ved Case Western Reserve University, University of California, San Diego, University of Chicago, Det schweiziske universitet i Fribourg og det britiske universitet i Strathclyde studerer og udvikler materialer, der kan ændre hårdhed som reaktion på deres miljø, er sikrere og mere effektive biologiske implantater, transmitterer nervelignende elektriske signaler, og kan reagere på miljøet for at igangsætte biologiske processer, alt til brug i bløde robotapplikationer.

For eksempel, forskere undersøger måder at lave materialer, der er stærke som edderkoppesilke og materialer, der ændrer deres form som reaktion på fugtighed, såsom fyrretræer, som åbner i tørre forhold og lukker i fugtige. De bruger også de unikke materialeegenskaber, de afslører, til at udvikle nye 3-D-printede materialer.

Studiet af bløde materialer og polymerer, længe en styrke på UD, vokser, til dels takket være Korleys ekspertise. Korley og Thomas H. Epps, III, Thomas og Kipp Gutshall senior karriereudviklingsprofessor i kemi- og biomolekylær ingeniørvidenskab og materialevidenskab og -teknik, har også dannet et nyt forskningscenter, Center for Forskning i blødt stof og polymerer (CRISP). Korley og Epps samarbejder med forskere ved Chemours og har for nylig offentliggjort en oversigtsartikel om struktur-egenskabsforhold i polymere overfladebelægninger i tidsskriftet ACS Applied Polymer Materials.

Korleys forskningsvirksomhed involverer også opsøgende kontakt til bachelorstuderende, som kan drage stor nytte af forskningserfaring, der komplementerer deres klasseværelsesarbejde.

"Forskning giver dig en platform til at tage den grundlæggende træning fra klasseværelset og være i stand til at anvende den på et problem, " sagde hun. "I laboratoriet, eleverne lærer at gennemtænke problemer, vise og formidle deres arbejde, og være ledere og holdspillere. Vi har alle disse aspekter i vores kurser, men jeg tror, ​​at der er en holistisk måde, hvorpå bachelorforskning kan træne studerende til at gøre det."

Korley er lige så passioneret omkring opsøgende aktiviteter, der introducerer piger i gymnasiet til naturvidenskab og teknik. Studerende fra hendes laboratorium har været involveret i undervisning på Serviam Girls Academy i New Castle, Delaware.

"Det største for mig er at få indflydelse, at være samarbejdsvillig, virkelig at engagere sig i det bredere samfund, sagde hun. Det er vigtigt for mig.