Edderkoppesilke inspirerer til et nyt materiale med ekstraordinære mekaniske egenskaber

Inspireret af ekstrem stærk edderkoppesilke, forskere ved NTNU har udviklet et nyt materiale, der trodser tidligere set afvejninger mellem sejhed og stivhed.

Materialet er en type polymer kendt som en elastomer, fordi den har en gummilignende elasticitet. Den nyudviklede elastomer har molekyler, der har otte hydrogenbindinger i en gentagelsesenhed, og det er disse bindinger, der hjælper med at fordele belastningen jævnt på materialet og gøre det så holdbart.

"De otte hydrogenbindinger er oprindelsen til de ekstraordinære mekaniske egenskaber, " siger Zhiliang Zhang, professor i mekanik og materialer ved NTNUs Institut for Bygningsteknik. Materialet er udviklet på NTNU NanoLab og delvist finansieret af Norges Forskningsråd.

Stof, der er stift og sejt

Ideen om at indføre et højere antal brintbindinger end normalt kom fra naturen. "Edderkoppesilke indeholder den samme slags struktur, " siger Yizhi Zhuo, der udviklede det nye materiale som en del af sin ph.d. og postdoc arbejde. "Vi vidste, at det kunne resultere i meget specielle egenskaber."

Forskere har tidligere bemærket, at edderkoppesilke - specifikt træklinesilke, som giver egerne og den ydre kant af et edderkoppespind – er både usædvanligt stiv og sej.

Stivhed og sejhed er særskilte egenskaber i teknik, og er ofte i opposition. Stive materialer kan modstå meget belastning, før de deformeres, hvorimod hårde materialer kan absorbere meget energi, før de går i stykker. Glas, for eksempel, er stiv, men ikke sej.

Større sejhed

Indtil nu, at kopiere den dobbelte stivhed og sejhed af edderkoppesilke i syntetiske elastomerer har ikke været muligt. "Med kommercielle materialer, hvis du vil have højere stivhed, du har lavere sejhed. Det er en byttehandel. Du kan ikke have begge dele " siger Zhang.

Teamets nye elastomer har tydelige hårde og bløde domæner. Efter at have udtænkt og lavet det, holdet brugte et atomkraftmikroskop - med en opløsning af fraktioner af en nanometer - til at se på materialets underliggende struktur, og observere grænsefladen mellem de hårde og bløde områder.

De så, at såvel som de otte brintbindinger, der fordeler stress, misforholdet i stivhed mellem de hårde og bløde domæner hjalp med at sprede energi yderligere ved at tilskynde eventuelle revner til at forgrene sig i stedet for at fortsætte ad en lige vej. "Hvis du har en zig-zag, du skaber en stor brudflade og spreder mere energi, så du har højere sejhed, " siger Zhang.

En fremtid inden for fleksibel elektronik?

Udover dets mekaniske egenskaber, materialet er optisk gennemsigtigt, og forskning tyder på, at det endda kan selvhelende ved temperaturer højere end 80 °C. Hvis produktionen kan opskaleres, det nye materiale kan en dag bruges i fleksibel elektronik - især bærbare enheder, der er mere tilbøjelige til at beskadige og gå i stykker.

Zhang og hans kolleger indgav patent på deres materiale i marts, men de fortsætter med at arbejde på at introducere andre ønskværdige egenskaber til det. De bløde domæner i deres materiale består af en siliciumbaseret polymer kendt som PDMS, men forskerne formoder, at de kunne forbedre de mekaniske egenskaber yderligere ved at eksperimentere med andre stoffer.

De vil også gerne udvide materialets egenskaber til også at omfatte anti-isning – forhindre is i at klæbe til det ved lave temperaturer – og antibegroning – forhindre vandorganismer som muslinger og alger i at binde sig til det – så det kan bruges under ekstreme forhold, såsom Arktis. "Dette materiale er et godt udgangspunkt, men vi ønsker at tilføje nogle andre funktioner, " siger Zhang.