Læring af muslinger:En marin toskallet inspirerer forskere til at lave stærkere polymerer

En lang række polymerbaserede materialer, fra dækgummi og våddragt neopren til Lycra tøj og silikone, er elastomerer værdsat for deres evne til at bøje og strække uden at gå i stykker og vende tilbage til deres oprindelige form.

At gøre sådanne materialer stærkere betyder normalt, at de bliver mere sprøde. Det er fordi, strukturelt, elastomerer er ret formløse netværk af polymerstrenge - ofte sammenlignet med et bundt uorganiserede spaghetti-nudler - holdt sammen af ​​nogle få kemiske tværbindinger. Styrkelse af en polymer kræver forøgelse af tætheden af ​​tværbindinger mellem strengene ved at skabe flere links. Dette får elastomerens tråde til at modstå at strække sig væk fra hinanden, at give materialet en mere organiseret struktur, men også gøre det stivere og mere tilbøjeligt til at mislykkes.

Inspireret af de hårde, fleksible polymere byssaltråde, som marine muslinger bruger til at sikre sig til overflader i den barske tidevandszone, et team af forskere tilknyttet UC Santa Barbara's Materials Research Laboratory (MRL) har udviklet en metode til at overvinde den iboende afvejning mellem styrke og fleksibilitet i elastomere polymerer. Gruppens fund fremgår af journalen Videnskab .

"I det sidste årti, vi har gjort enorme fremskridt med at forstå, hvordan biologiske materialer opretholder styrke under belastning, " sagde den tilsvarende forfatter Megan Valentine, en lektor i UCSB's Institut for Maskinteknik. "I denne avis, vi demonstrerer vores evne til at bruge denne forståelse til at udvikle brugbare menneskeskabte materialer. Dette arbejde åbner spændende opdagelsesbaner for mange kommercielle og industrielle applikationer."

Tidligere indsats også inspireret af muslingens neglebåndskemi har været begrænset til vådt, bløde systemer såsom hydrogeler. Derimod, UCSB-forskerne inkorporerede de muslingeinspirerede jernkoordinationsbindinger i et tørt polymersystem. Dette er vigtigt, fordi en sådan tør polymer potentielt kan erstatte stive, men sprøde materialer, især i slag- og torsionsrelaterede applikationer.

"Vi fandt ud af, at det våde netværk var 25 gange mindre stift og knækkede ved fem gange kortere forlængelse end et tilsvarende konstrueret tørt netværk, "forklarede medlederforfatter Emmanouela Filippidi, en postdoc-forsker i Valentine Lab ved UCSB. "Det er et interessant resultat, men en forventet. Det, der virkelig er slående, er, hvad der skete, da vi sammenlignede det tørre netværk før og efter tilsætning af jern. Ikke alene bevarede den sin strækbarhed, men den blev også 800 gange stivere og 100 gange hårdere i nærvær af disse rekonfigurerbare jern-katekolbindinger. Det var uventet. "

For at opnå netværk med arkitektur og ydeevne svarende til muslingerne i muslingen byssal cuticle, holdet syntetiserede en amorf, løst tværbundne epoxy netværk og derefter behandlet det med jern for at danne dynamiske jern-katechol tværbindinger. I mangel af jern, når en af ​​de kovalente tværbindinger bryder, den er ødelagt for evigt, fordi der ikke findes nogen mekanisme til selvhelbredelse. Men når de reversible jern-katechol-koordinationsbindinger er til stede, enhver af de jernholdige brudte tværbindinger kan reformeres, ikke nødvendigvis på samme sted, men i nærheden, dermed opretholdes materialets modstandsdygtighed, selvom dets styrke øges. Materialet er både stivere og hårdere end tilsvarende netværk, der mangler jernholdige koordinationsbindinger.

Efterhånden som jern-katechol-netværket strækkes, det gemmer ikke energien, så når spændingen slippes, materialet hopper ikke tilbage som et gummibånd, men hellere, spreder energien. Materialet genopretter derefter langsomt for at genoptage sin oprindelige form, på nogenlunde samme måde gør et viskoelastisk materiale som hukommelsesskum efter trykket på det frigives.

"Et materiale med den egenskab, kaldet en 'energi-dissiperende plastik, 'er nyttig til belægninger, " sagde medforfatter Thomas Cristiani, en UCSB -kandidatstuderende i Israelachvili -gruppen. "Det ville være et fantastisk mobiltelefoncover, fordi det ville absorbere en stor mængde energi, så telefonen ville være mindre tilbøjelig til at bryde ved påvirkning med gulvet og ville være beskyttet. "

Det tørre system, forskerne brugte, er vigtigt af to grunde. I et vådt system, netværket absorberer vand, får polymerkæderne til at strække sig, så der er ikke meget ekstra fleksibilitet tilbage. Men med et tørt materiale, de amorfe spaghetti-lignende tråde er i starten meget kompakte, med meget plads til at strække. Når jerntværbindingerne tilsættes for at styrke polymeren, strækbarheden af ​​det tørre materiale er ikke kompromitteret, fordi disse bindinger kan bryde, så polymerkæderne ikke er låst på plads. Derudover fjernelse af vandet fra netværket resulterer i, at katekolen og jernet er tættere på hinanden og i stand til at danne områder med høj forbindelse, hvilket forbedrer de mekaniske egenskaber.

"Denne forskel mellem respons i våde og tørre systemer er enorm og gør vores tilgang til en game-changer med hensyn til at syntetisere nyttige tekniske materialer til applikationer med stor effekt, "Sagde Valentine.