Forskere konstruerer en hårdere fiber

North Carolina State University forskere har udviklet en fiber, der kombinerer elasticiteten af ​​gummi med styrken af ​​et metal, resulterer i et hårdere materiale, der kunne inkorporeres i blød robotteknologi, emballagematerialer eller næste generations tekstiler.

"En god måde at forklare materialet på er at tænke på gummibånd og metaltråde, " siger Michael Dickey, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og Alcoa professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved NC State.

"Et gummibånd kan strække sig meget langt, men det kræver ikke megen kraft at strække det, " siger Dickey. "En metaltråd kræver meget kraft for at strække den, men det kan ikke tage megen belastning — det går i stykker, før du kan strække det meget langt. Vores fibre har det bedste fra begge verdener."

Forskerne skabte fibre bestående af en galliummetalkerne omgivet af en elastisk polymerkappe. Ved stress, fiberen har metalkernens styrke. Men når metallet går i stykker, fiberen svigter ikke - polymerkappen absorberer belastningen mellem brud i metallet og overfører spændingen tilbage til metalkernen. Denne reaktion ligner den måde, menneskets væv holder sammen knækkede knogler på.

"Hver gang metalkernen knækker, spreder den energi, lader fiberen fortsætte med at absorbere energi, mens den forlænges, " siger Dickey. "I stedet for at knække i to, når den er strakt, den kan strække sig op til syv gange sin oprindelige længde før fejl, samtidig med at det forårsager mange yderligere brud i ledningen undervejs.

"For at tænke på det på en anden måde, fiberen vil ikke knække og tabe en tung vægt. I stedet, ved at frigive energi gentagne gange gennem interne pauser, fibrene sænker vægten langsomt og støt."

I materialer, sejhed er et materiales evne til at absorbere energi og deformere uden at gå i stykker. Du kan tænke på det som mængden af ​​kraft et materiale kan absorbere, når det deformeres over en afstand. Den nye fiber er langt hårdere end enten metaltråden eller polymerkappen alene.

"Der er stor interesse for ingeniørmaterialer til at efterligne hudens sejhed - og vi har udviklet en fiber, der har overgået hudens sejhed, men som stadig er elastisk som huden, " siger Dickey.

Ud over, galliumkernen er ledende - selvom den mister sin ledningsevne, når den indre kerne knækker. Fibrene kan også genbruges ved at smelte metalkernerne sammen igen.

"Vi brugte gallium til dette proof of concept arbejde, men fibrene kunne indstilles til at ændre deres mekaniske egenskaber, eller for at bevare funktionaliteten ved højere temperaturer, ved at bruge forskellige materialer i kerne og skal, " siger Dickey.

"Dette er kun et proof of concept, men det rummer meget potentiale. Vi er interesserede i at se, hvordan disse fibre kan bruges i blød robotteknologi eller når de er vævet ind i tekstiler til forskellige applikationer."

Papiret, "Hærdning af strækbare fibre via seriel frakturering af en metallisk kerne, " er offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .