Ingeniører udvikler smart materiale, der ændrer stivhed, når det drejes eller bøjes

Et nyt smart og responsivt materiale kan stivne som en trænet muskel, siger ingeniørerne fra Iowa State University, der udviklede det.

Stress en muskel, og den bliver stærkere. Spænd det gummiagtige materiale mekanisk - f.eks. med et vrid eller en bøjning - og materialet stivner automatisk med op til 300 procent, sagde ingeniørerne. I laboratorietests, mekaniske spændinger forvandlede en fleksibel strimmel af materialet til en hård komposit, der kan bære 50 gange sin egen vægt.

Dette nye kompositmateriale behøver ikke eksterne energikilder såsom varme, lys eller elektricitet for at ændre dets egenskaber. Og det kan bruges på mange forskellige måder, herunder applikationer inden for medicin og industri.

Materialet er beskrevet i en artikel, der for nylig er offentliggjort online af det videnskabelige tidsskrift Materialer Horisonter . Hovedforfatterne er Martin Thuo og Michael Bartlett, Iowa State assisterende professorer i materialevidenskab og teknik. Første forfattere er Boyce Chang og Ravi Tutika, Iowa State ph.d.-studerende i materialevidenskab og teknik. Chang er også studerende ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory.

Iowa State opstartsmidler til Thuo og Bartlett støttede udviklingen af ​​det nye materiale. Thuos Black &Veatch fakultetsstipendium var også med til at støtte projektet.

Udvikling af materialet kombinerede Thuos ekspertise inden for mikrostørrelse, flydende metalpartikler med Bartletts ekspertise i bløde materialer som gummi, plastik og geler.

Det er en stærk kombination.

Forskerne fandt en simpel, billig måde at fremstille partikler af underkølet metal - det er metal, der forbliver flydende selv under dets smeltetemperatur. De små partikler (de er kun 1 til 20 milliontedele af en meter i diameter) skabes ved at udsætte dråber af smeltet metal for ilt, skabe et oxidationslag, der dækker dråberne og forhindrer det flydende metal i at blive fast. De fandt også måder at blande de flydende metalpartikler med et gummiagtigt elastomermateriale uden at bryde partiklerne.

Når dette hybridmateriale udsættes for mekaniske belastninger - skubbe, vridning, bøjning, klemning - de flydende metalpartikler bryder op. Det flydende metal strømmer ud af oxidskallen, smelter sammen og størkner.

"Du kan klemme disse partikler ligesom en ballon, " sagde Thuo. "Når de popper, det er det, der får metallet til at flyde og størkne."

Resultatet, Bartlett sagde, er et "metalnet, der dannes inde i materialet."

Thuo og Bartlett sagde, at springpunktet kan indstilles til at få det flydende metal til at flyde efter varierende mængder af mekanisk belastning. Tuning kunne indebære at ændre det anvendte metal, ændring af partikelstørrelserne eller ændring af det bløde materiale.

I dette tilfælde, de flydende metalpartikler indeholder Fields metal, en legering af vismut, indium og tin. Men Thuo sagde, at andre metaller vil fungere, også.

"Idéen er, at uanset hvilket metal du kan få til underafkøling, du får den samme adfærd, " han sagde.

Ingeniørerne siger, at det nye materiale kan bruges i medicin til at understøtte sarte væv eller i industrien for at beskytte værdifulde sensorer. Der kunne også være anvendelser i blød og bio-inspireret robotteknologi eller rekonfigurerbar og bærbar elektronik. Iowa State University Research Foundation arbejder på at patentere materialet, og det er tilgængeligt for licensering.

"En enhed med dette materiale kan bøje op til en vis mængde belastning, " sagde Bartlett. "Men hvis du fortsætter med at understrege det, elastomeren vil stivne og stoppe eller bremse disse kræfter."

Og det, ingeniørerne siger, er, hvordan de sætter nogle muskler i deres nye smarte materiale.