Ny forskning optimerer både elasticitet og stivhed i det samme materiale uden de sædvanlige afvejninger

I materialernes verden, stivhed og elasticitet er normalt på modsatte ender af kontinuummet. Typisk, jo mere elastisk et materiale, jo mindre i stand er den til at bære belastninger og modstå kræfter. Jo mere stiv den er, jo mere tilbøjelig er den til at briste ved lavere belastninger, når belastningen eller kraften overstiger dens kapacitet. Et mål for mange materialeforskere er at skabe et materiale, der samler det bedste fra begge verdener.

På UC Santa Barbara, videnskabsmænd er kommet et skridt tættere på dette mål. I en nyligt offentliggjort undersøgelse, forfattere Kayetan Chorazewicz, Sameer Sundrani og Kollbe Ahn beskriver en mekanisme, hvorved et materiale kan gøres meget strækbart uden at ofre dets styrke og stivhed. Papiret, "Bioinspirerede funktionelle gradienter til sejhedsforøgelse i syntetiske polymersystemer, " står i journalen Makromolekylær kemi og fysik .

Til inspiration, forskere ledte ikke længere end til stranden.

"Du kan se både stivhed og strækbarhed med muslingers byssus-tråde, " sagde medforfatter Chorazewicz. Muslinger tilbringer deres liv i den stenede tidevandszone, hvor deres evne til at holde fast er et spørgsmål om liv og død. Trådene, de udstråler på klipperne, skal begge være strækbare nok til, at de kan finde det passende "greb" på uregelmæssige overflader og absorbere det konstante bølgeslag, dog stive nok til at forhindre, at muslingerne selv hopper rundt i strømmene og banker mod de strukturer, som de er fastgjort til. Den optimale kombination af de to kvaliteter er blandt hemmelighederne bag deres succes i et så variabelt og ugæstfrit miljø.

De tager udgangspunkt i bløddyrene, forskerne designet et funktionelt klassificeret materiale - en relativt ny klasse af materialer, der udnytter forskelle i deres sammensætning - for at skabe en syntetisk version af muslingernes byssus-tråde, der ikke kun minimerer afvejningen mellem fleksibilitet og styrke, men kan også bruges i våde omgivelser.

Nøglen til denne teknologi er en tværbundet kombination af monomeren benzylacrylat (BZA) med triethylenglycoldimethacrylat (TEGDMA), en almindelig polymer, der bruges i tandrestaureringsfyldstoffer. Tværbinding, ifølge forskerne, i modsætning til at skabe en "sandwich" af individuelle lag af BZA eller TEGDMA, giver det resulterende materiale evner, som ingen af ​​dem alene ville have:evnen til at modstå belastninger ved et bredt temperaturområde, og evnen til at bære byrder. Copolymerkombinationen kan indstilles yderligere, således at dens lag vil have varierende niveauer af elasticitet på samme måde, som byssus-tråde udviser en gradient af elasticitet, der ændrer sig fra dens bløde kollagenfiberkerne til dens hårde ydre neglebånd. På denne måde belastninger på materialet kan enten absorberes effektivt eller modstå direkte.

"Det kan også forhindre eventuelle brud i at forplante sig i hele materialet, " sagde medforfatter Sundrani. Skulle der være overdreven stress, belastningsenergien ville blive omdirigeret og begrænset, og noget af materialet kunne ofres i en "gunstig delaminering", der ville undgå svigt af hele strukturen.

Denne teknologi har en bred vifte af applikationer.

"Disse dage, flere og flere materialer bliver erstattet af konstruerede polymerer, " sagde avisens senior, tilsvarende forfatter Ahn, der har arbejdet meget med muslingeinspirerede biomimetiske polymerer. "Vi kan forestille os ethvert polymerbaseret materiale, der kræver belastning, " han tilføjede, inklusive hårdere plast, beskyttelsesudstyr såsom hjelme, konstruktionsdele og mere holdbare fly, komponenter til køretøjer og fartøjer.

Derudover inden for medicin, bioingeniør, bioelektronik og endda blød robotik kunne drage fordel af sådanne funktionelt klassificerede materialer, som kunne bruges til at lave proteser, kunstige led og organer, eller bløde aktuatorer og maskiner.

"En anden meget praktisk anvendelse ville være at anvende sorterede materialer som vores på belægninger over allerede eksisterende materialer i stedet for at erstatte dem helt, for eksempel, stiv plast eller endda biomedicinske implantater, " sagde Sundrani.

"Hvad vores funktionelt klassificerede materialer antyder, " bemærkede Chorazewicz, "er en ny klasse af materialer til at opfylde en lang række af disse roller snarere end en specifik niche - og da disse materialer er tunbare, de kan være så hårde eller bløde som nødvendigt til deres tilsigtede brug."

Denne artikel er resultatet af et unikt samarbejde inspireret af UCSB's Research Mentorship Program (RMP), et sommersessionsprogram, der parrer højtpræsterende high school juniorer og seniorer med universitetsforskere for at udføre original forskning. På det tidspunkt, hvor de startede denne forskning, både Chorazewicz og Sundrani var high school seniorer. Takket være deres usædvanlige drive og det fortsatte mentorskab og vejledning leveret af Ahn ud over deres seks uger med RMP, de yngre forfattere af dette papir var i stand til at udføre forskning, skrive deres papir og publicere i et peer-reviewed videnskabeligt tidsskrift, før de overhovedet begyndte deres college-karriere. Chorazewicz og Sundrani krediterer Ahn for hans niveau af involvering i deres begyndende og lovende videnskabs- og ingeniørkarriere, mens Ahn anerkender dedikationen fra sine tidligere RMP-studerende.