Forskere skaber selvstyrkende nanokomposit

Forskere ved Rice University har skabt et syntetisk materiale, der bliver stærkere af gentagen stress, ligesom kroppen styrker knogler og muskler efter gentagne træningspas.

Arbejde af Rice lab af Pulickel Ajayan, professor i maskinteknik og materialevidenskab og i kemi, viser potentialet ved at afstive polymerbaserede nanokompositter med carbon nanorør-fyldstoffer. Holdet rapporterede sin opdagelse denne måned i tidsskriftet ACS Nano .

Tricket, det ser ud til, ligger i komplekset, dynamisk grænseflade mellem nanostrukturer og polymerer i omhyggeligt konstruerede nanokompositmaterialer.

Brent Carey, en kandidatstuderende i Ajayans laboratorium, fandt den interessante egenskab, mens han testede højcyklustræthedsegenskaberne for en komposit, han lavede ved at infiltrere en skov af vertikalt justerede, flervæggede nanorør med polydimethylsiloxan (PDMS), en inert, gummiagtig polymer. Til hans store overraskelse, gentagne gange indlæsning af materialet så ikke ud til at beskadige det overhovedet. Faktisk, stressen gjorde det stivere.

Carey, hvis forskning er sponsoreret af et NASA-stipendium, brugte dynamisk mekanisk analyse (DMA) til at teste deres materiale. Han fandt ud af, at efter forbløffende 3,5 millioner kompressioner (fem i sekundet) over omkring en uges tid, kompositmaterialets stivhed var steget med 12 procent og viste potentialet for endnu yderligere forbedringer.

"Det krævede lidt tilpasning at få instrumentet til at gøre dette, " sagde Carey. "DMA antager generelt, at dit materiale ikke ændrer sig på nogen permanent måde. I de tidlige tests, softwaren blev ved med at fortælle mig, "Jeg har beskadiget prøven!" efterhånden som stivheden steg. Jeg var også nødt til at narre det med en uløselig programløkke for at opnå det høje antal cyklusser."

Materialeforskere ved, at metaller kan strækhærde under gentagen deformation, et resultat af skabelsen og fastklemningen af ​​defekter - kendt som dislokationer - i deres krystallinske gitter. Polymerer, som er lavet af lange, gentagne kæder af atomer, ikke opføre sig på samme måde.

Holdet ved ikke præcist, hvorfor deres syntetiske materiale opfører sig, som det gør. "Vi var i stand til at udelukke yderligere tværbinding i polymeren som en forklaring, " sagde Carey. "Dataene viser, at der er meget lidt kemisk interaktion, hvis nogen, mellem polymeren og nanorørene, og det ser ud til, at denne flydende grænseflade udvikler sig under stress."

"Brugen af ​​nanomaterialer som fyldstof øger dette grænsefladeområde enormt for den samme mængde fyldstof, der tilføjes, " sagde Ajayan. "Derfor, de resulterende grænsefladeeffekter forstærkes sammenlignet med konventionelle kompositter.

"For konstruerede materialer, folk ville elske at have en komposit som denne, " sagde han. "Dette arbejde viser, hvordan nanomaterialer i kompositter kan bruges kreativt."

De fandt også en anden sandhed om dette unikke fænomen:Blot at komprimere materialet ændrede ikke dets egenskaber; kun dynamisk stress - at deformere det igen og igen - gjorde det stivere.

Carey tegnede en analogi mellem deres materiale og knogler. "Så længe du regelmæssigt stresser en knogle i kroppen, det vil forblive stærkt, " sagde han. "F.eks. knoglerne i ketcherarmen på en tennisspiller er tættere. I det væsentlige, dette er en adaptiv effekt, som vores krop bruger til at modstå de belastninger, der påføres den.

"Vores materiale er ens i den forstand, at en statisk belastning på vores komposit ikke forårsager en ændring. Du er nødt til dynamisk at understrege det for at forbedre det."

Brusk kan være en bedre sammenligning - og muligvis endda en fremtidig kandidat til nanokomposit-erstatning. "Vi kan forestille os, at denne reaktion er attraktiv til at udvikle kunstig brusk, der kan reagere på de kræfter, der påføres den, men forbliver bøjelig i områder, der ikke bliver stresset, " sagde Carey.

Begge forskere bemærkede, at dette er den slags grundforskning, der stiller flere spørgsmål, end den besvarer. Mens de nemt kan måle materialets bulk egenskaber, det er en helt anden historie at forstå, hvordan polymeren og nanorørene interagerer på nanoskalaen.

"Folk har forsøgt at løse spørgsmålet om, hvordan polymerlaget omkring en nanopartikel opfører sig, " sagde Ajayan.
"Det er et meget kompliceret problem. Men grundlæggende, det er vigtigt, hvis du er en ingeniør af nanokompositter.

"Fra det perspektiv, Jeg synes, det er et smukt resultat. Det fortæller os, at det er muligt at konstruere grænseflader, der får materialet til at gøre ukonventionelle ting."