Naturinspireret materiale bruger flydende forstærkning

Materialeforskere ved Rice University ser på naturen - på skiverne i menneskelige rygsøjler og huden i havdykkende fisk, for eksempel - for spor om at designe materialer med tilsyneladende modstridende egenskaber - fleksibilitet og stivhed.

I forskning, der vises online i tidsskriftet Avancerede materialegrænseflader , kandidatstuderende Peter Owuor, Forsker Chandra Sekhar Tiwary og kolleger fra laboratorier af risprofessor Pulickel Ajayan og Jun Lou fandt ud af, at de kunne øge stivheden, eller "elasticitetsmodul, " af en blød siliciumbaseret polymer ved at infundere den med små lommer af flydende gallium.

Sådanne kompositter kan finde anvendelse i højenergiabsorberende materialer og støddæmpere og i biomimetiske strukturer som kunstige intervertebrale skiver, de sagde.

Owuor sagde, at konventionel visdom inden for kompositdesign i de sidste 60 år har været, at tilsætning af et hårdere stof øger modulus og tilføjelse af et blødere mindsker modul. I de fleste tilfælde, det er korrekt.

"Folk havde ikke rigtig set på det fra den anden vej rundt, " sagde han. "Er det muligt at tilføje noget blødt inde i noget andet, der også er blødt og få noget, der har et højere modul? Hvis du ser på den naturlige verden, der er masser af eksempler, hvor du finder netop det. Som materialeforskere, vi ville studere dette, ikke fra et biologisk perspektiv, men snarere fra et mekanisk."

For eksempel, skiverne mellem hvirvlerne i menneskelige rygsøjler, som fungerer som både støddæmpere og ledbånd, er lavet af et hårdt ydre lag brusk og en blød, geléagtigt interiør. Og den ydre hud på dybtdykkende havfisk og pattedyr indeholder utallige små oliefyldte kamre – nogle er ikke større end en virus og andre større end hele celler – som gør det muligt for dyrene at modstå det intense pres, der findes tusindvis af fod under havets overflade.

At vælge de grundlæggende materialer til at modellere disse levende systemer var relativt let, men det viste sig svært at finde en måde at bringe dem sammen for at efterligne naturen, sagde Tiwary, en postdoktoral forskningsassistent i Rices Institut for Materialevidenskab og NanoEngineering.

Polydimethylsiloxan, eller PDMS, blev valgt som det bløde indkapslingslag af flere årsager:Det er billigt, inert, ugiftig og meget brugt i alt fra fugemasse og akvarieforseglingsmidler til kosmetik og fødevaretilsætningsstoffer. Det tørrer også klart, hvilket gjorde det nemt at se de væskebobler, som holdet ønskede at indkapsle. For det, forskerne valgte gallium, som ligesom kviksølv er flydende ved stuetemperatur, men i modsætning til kviksølv er det ugiftigt og relativt nemt at arbejde med.

Owuor sagde, at det tog næsten fire måneder at finde en opskrift på at indkapsle bobler af gallium inde i PDMS. Hans testprøver er omkring diameteren af ​​en lille mønt og så meget som en kvart tomme tykke. Ved at helbrede PDMS langsomt, Owuor udviklede en proces, hvorved han kunne tilføje galliumdråber af forskellige størrelser. Nogle prøver indeholdt et stort indre kammer, og andre indeholdt op til et dusin diskrete dråber.

Hver prøve blev udsat for snesevis af tests. Et dynamisk mekanisk analyseinstrument blev brugt til at måle, hvor meget materialet deformeres under belastning, og forskellige mål som stivhed, sejhed og elasticitet blev målt under en række betingelser. For eksempel, med en relativt lille køling, gallium kan omdannes til et fast stof. Så holdet var i stand til at sammenligne nogle målinger taget, når galliumkuglerne var flydende, med målinger, der blev taget, når kuglerne var faste.

Samarbejdspartnerne Roy Mahapatra og Shashishekarayya Hiremath fra Indian Institute of Science i Bangalore brugte finite element-modellering og hydrodynamiske simuleringer til at hjælpe holdet med at analysere, hvordan materialerne opførte sig under mekanisk belastning. Baseret på dette, forskerne fastslog, at lommer af flydende gallium gav kompositten højere energiabsorptions- og -spredningsegenskaber end almindelig PDMS eller PDMS med luftfyldte lommer.

"Det, vi har vist, er, at det ikke altid bliver blødere at putte væske i et fast stof. og takket være vores samarbejdspartnere er vi i stand til at forklare, hvorfor dette er tilfældet, "Tiwary sagde. "Dernæst håber vi at bruge denne forståelse til at forsøge at konstruere materialer for at drage fordel af disse egenskaber."

Owuor og Tiwary sagde, at blot at bruge nanoengineering alene, måske ikke giver en maksimal effekt. I stedet, naturen anvender hierarkiske strukturer med funktioner i forskellige størrelser, der gentages i større skalaer, som dem, der findes i de oliefyldte kamre i fiskeskind.

"Hvis du ser på (fiskens) membran og sektionerer den, der er et lag, hvor du har kugler med store diametre, og mens du bevæger dig, Diameterne bliver ved med at falde, " sagde Owuor. "Kamrene ses på tværs af hele skalaen, fra nano- helt ud til mikroskalaen.

Tiwary sagde, "Der er vigtige nanoskalatræk i naturen, men det er ikke alt nano. Vi kan finde ud af, at ingeniørarbejde på nanoskala alene ikke er nok. Vi vil se, om vi kan begynde at designe på en hierarkisk måde."