Syntetisk gelatine-lignende materiale efterligner jomfruhummers stræk og styrke

En hummers underliv er foret med en tynd, gennemskinnelig membran, der både er strækbar og overraskende hård. Denne marine under-rustning, som MIT-ingeniører rapporterede i 2019, er lavet af den hårdeste kendte hydrogel i naturen, hvilket også tilfældigvis er yderst fleksibelt. Denne kombination af styrke og stræk hjælper med at beskytte en hummer, når den krabber hen over havbunden, samtidig med at den kan bøje sig frem og tilbage for at svømme.

Nu har et separat MIT-team fremstillet et hydrogelbaseret materiale, der efterligner strukturen af ​​hummerens underliv. Forskerne kørte materialet gennem et batteri af stræk- og slagtest, og viste, at ligner hummerunderlivet, det syntetiske materiale er bemærkelsesværdigt "træthedsbestandigt, " i stand til at modstå gentagne stræk og belastninger uden at rive.

Hvis fremstillingsprocessen kunne skaleres betydeligt, materialer fremstillet af nanofibrøse hydrogeler kunne bruges til at lave elastisk og stærkt erstatningsvæv såsom kunstige sener og ledbånd.

Holdets resultater offentliggøres i tidsskriftet Stof . Papirets MIT-medforfattere omfatter postdocs Jiahua Ni og Shaoting Lin; kandidatstuderende Xinyue Liu og Yuchen Sun; professor i aeronautik og astronautik Raul Radovitzky; professor i kemi Keith Nelson; maskinteknik professor Xuanhe Zhao; og tidligere forsker David Veysset Ph.D. '16, nu ved Stanford University; sammen med Zhao Qin, adjunkt ved Syracuse University, og Alex Hsieh fra Army Research Laboratory.

Naturens twist

I 2019, Lin og andre medlemmer af Zhaos gruppe udviklede en ny form for træthedsbestandigt materiale fremstillet af hydrogel-en gelatinelignende klasse materialer, der primært er fremstillet af vand og tværbundne polymerer. De fremstillede materialet af ultratynde fibre af hydrogel, som flugtede som mange tråde af samlet halm, når materialet gentagne gange blev strakt. Denne træning øgede tilfældigt også hydrogelens træthedsmodstand.

"På dette tidspunkt, vi havde en fornemmelse af, at nanofibre i hydrogeler var vigtige, og håbede at manipulere de fibrille strukturer, så vi kunne optimere træthedsmodstand, " siger Lin.

I deres nye undersøgelse, forskerne kombinerede en række teknikker for at skabe stærkere hydrogel nanofibre. Processen starter med elektrospinning, en fiberproduktionsteknik, der bruger elektriske ladninger til at trække ultratynde tråde ud af polymeropløsninger. Holdet brugte højspændingsladninger til at spinde nanofibre fra en polymeropløsning, at danne en flad film af nanofibre, hver måler omkring 800 nanometer - en brøkdel af diameteren af ​​et menneskehår.

De anbragte filmen i et kammer med høj luftfugtighed for at svejse de enkelte fibre til en robust, sammenkoblet netværk, og sæt derefter filmen i en inkubator for at krystallisere de individuelle nanofibre ved høje temperaturer, yderligere styrkelse af materialet.

De testede filmens træthed-modstand ved at placere den i en maskine, der strakte den gentagne gange over titusinder af cyklusser. De lavede også hak i nogle film og observerede, hvordan revnerne forplantede sig, mens filmene blev strakt gentagne gange. Fra disse tests, de beregnede, at de nanofibre film var 50 gange mere træthedsbestandige end de konventionelle nanofibre hydrogeler.

Omkring dette tidspunkt, de læste med interesse en undersøgelse af Ming Guo, lektor i maskinteknik på MIT, der karakteriserede de mekaniske egenskaber af en hummers underliv. Denne beskyttende membran er lavet af tynde plader af kitin, en naturlig, fibrøst materiale, der i makeup ligner gruppens hydrogel nanofibre.

Guo fandt ud af, at et tværsnit af hummermembranen afslørede plader af kitin stablet i 36 graders vinkler, ligner snoet krydsfiner, eller en vindeltrappe. Denne roterende, lagdelt konfiguration, kendt som en bouligand struktur, forbedrede membranens egenskaber for stræk og styrke.

"Vi lærte, at denne bouligandstruktur i hummerunderlivet har høj mekanisk ydeevne, hvilket motiverede os til at se, om vi kunne reproducere sådanne strukturer i syntetiske materialer, " siger Lin.

Vinklet arkitektur

Ni, Lin, og medlemmer af Zhaos gruppe gik sammen med Nelsons laboratorium og Radovitzkys gruppe i MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies, og Qins laboratorium på Syracuse University, for at se, om de kunne reproducere hummerens bouligand-membranstruktur ved hjælp af deres syntetiske, træthedsbestandige film.

"Vi forberedte justerede nanofibre ved elektrospinning for at efterligne de chiniske fibre, der eksisterede i hummerens underliv, " siger Ni.

Efter elektrospinding af nanofibre film, forskerne stablede hver af fem film i træk, 36 graders vinkler for at danne en enkelt bouligandstruktur, som de derefter svejste og krystalliserede for at forstærke materialet. Det endelige produkt målte 9 kvadratcentimeter og omkring 30 til 40 mikrometer tykt - på størrelse med et lille stykke scotch tape.

Stræktest viste, at det hummer-inspirerede materiale fungerede på samme måde som dets naturlige modstykke, i stand til at strække sig gentagne gange, mens han modstår tårer og revner-en træthedsbestandighed Lin tilskriver strukturens vinklede arkitektur.

"Intuitivt, når en revne i materialet breder sig gennem et lag, det er hæmmet af tilstødende lag, hvor fibre er justeret i forskellige vinkler, ", forklarer Lin.

Holdet udsatte også materialet for mikroballistiske påvirkningstest med et eksperiment designet af Nelsons gruppe. De afbildede materialet, mens de skød det med mikropartikler ved høj hastighed, og målte partiklernes hastighed før og efter gennemrivning af materialet. Forskellen i hastighed gav dem en direkte måling af materialets slagfasthed, eller mængden af ​​energi, den kan absorbere, hvilket viste sig at være overraskende hårde 40 kilojoule per kilo. Dette tal måles i hydreret tilstand.

"Det betyder, at en 5-millimeter stålkugle affyret med 200 meter i sekundet ville blive standset af 13 millimeter af materialet, " siger Veysset. "Den er ikke så modstandsdygtig som Kevlar, som ville kræve 1 millimeter, men materialet slår Kevlar i mange andre kategorier."

Det er ingen overraskelse, at det nye materiale ikke er så hårdt som kommercielle antiballistiske materialer. Det er, imidlertid, betydeligt mere robust end de fleste andre nanofibre hydrogeler, såsom gelatine og syntetiske polymerer som PVA. Materialet er også meget mere strækbart end Kevlar. Denne kombination af stræk og styrke antyder, at hvis deres fremstilling kan fremskyndes, og flere film stablet i bouligandstrukturer, nanofibrøse hydrogeler kan tjene som fleksible og seje kunstige væv.

"For at et hydrogelmateriale skal være et bærende kunstigt væv, både styrke og deformerbarhed er påkrævet, "Lin siger. "Vores materialedesign kunne opnå disse to egenskaber."