Forskere efterligner en ormedødelig kæbe for at designe og danne elastiske materialer

Kendt som polychaete-ormen, den bruger spidsen af ​​sin kæbe til at injicere dødelig gift. Udformningen af ​​kæben, med en gradient af hårde materialer i spidsen forbundet med blødere væv, afleder kraft og forhindrer alvorlig skade på kæben. Gradienten i mekaniske egenskaber er korreleret til antallet af metalioner, der er tilgængelige til binding. Denne mekanisme inspirerede til en ny tilgang til at generere stivhedsgradienter i menneskeskabte polymerer. Gennem en simpel proces, videnskabsmænd kontrollerede tætheden af ​​metalionerne langs en prøve. Gradienten i metalion-interaktioner skabte en kontinuerlig gradient i mekaniske egenskaber, der spændte over en 200-fold ændring i stivhed, nærmer sig biologien.

Mekaniske gradienter (dvs. fra hård til blød) kan forhindre skader fra store kræfter. Det er svært at designe materialer med store gradienter. Prøven har det største kontinuerlige spænd i menneskeskabte materialer til dato. Fordi materialet er lavet ved hjælp af almindeligt laboratorieudstyr, det kunne gøres bredt tilgængeligt til en bred vifte af anvendelser. Sådanne materialer kan finde anvendelse som mere elastiske dele i køretøjer, batterier, og strømproduktionsudstyr. Yderligere, resultaterne adresserer langvarige problemer i design og dannelse af elastiske polymermaterialer.

Mekaniske gradienter bruges ofte i naturen for at forhindre skade fra store kræfter ved at skabe en glidende overgang fra stærke til svage biologiske materialer. Denne proces gør det muligt for levende organismer at modstå enorme kræfter. Den påførte spænding forsvinder, når den overføres fra hårde ydre vedhæng til svagere, let beskadiget, indvendige bløde væv. Syntetiske efterligninger af disse naturlige strukturer er meget ønskede for at forbedre fordelingen af ​​spændinger ved grænseflader og reducere kontaktdeformation i menneskeskabte materialer. Nuværende syntetiske gradientmaterialer lider almindeligvis af ikke-kontinuerlige overgange, relativt små gradienter i mekaniske egenskaber, og svære synteser.

Forskere ved University of California-Irvine har adresseret både design- og syntetiske udfordringer ved at hente inspiration fra polychaete-ormen. Ormen skaber en mekanisk gradient, der forhindrer skade på kæben under bid og giftinjektion. Ormens kæbe anvender et system med et stigende antal tværbindinger mellem metalioner og proteiner, der er i stand til selektivt at binde til disse ioner. I det nye menneskeskabte materiale, zink, kobber, eller koboltioner interagerer i en dynamik, ikke-permanent måde med motiver, der efterligner proteinkemien. Bindingsliganderne er kovalent bundet til polymerer og afledt af nitrogenbaserede dele (imidazoler). I hvilket omfang et specifikt område er stivt eller blødt afhænger af tætheden af ​​metalioner - en højere tæthed giver et stivere materiale. Variering af denne tæthed over materialets længde genererer en række mekaniske egenskaber, der ligner dem, der findes i ormens kæbe.

Denne metaliongradient blev skabt ved hjælp af en meget enkel proces. En polymer blev fastgjort til en anordning, der langsomt hævede polymeren ud af en metalsaltopløsning. På samme tid, yderligere metalopløsning blev injiceret i den oprindelige opløsning. Denne kombination sammen med de dynamiske metal-ligand-interaktioner er det, der gjorde det muligt for den kontinuerlige metaliongradient at blive dannet langs længden af ​​det polymere materiale. Den højeste stivhed forekom i den ende, der forblev længst i metalopløsningen og faldt gradvist på en måde, der korrelerede godt med eksponering for saltopløsningen. Det største og mest veldefinerede gradientspænd viste en 230-fold stigning i stivhed. Størrelsen af ​​dette område minder meget om det, der ses i blækspruttenæb, som er en standard for mange gradientmaterialer.

Korrelationen mellem metalkoncentration og mekaniske gradienter indikerer, at metal-imidazol-interaktionerne øger elasticiteten. Denne enkle tilgang kunne generaliseres til at skabe en række forskellige materialer.