Bioinspirerede cellulose nanofibriller kan styres af elektricitet

Materialevidenskaben tager gerne naturen og de levende væseners særlige egenskaber, der potentielt kan overføres til materialer, som model. Et forskerhold ledet af kemiker professor Andreas Walther fra Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) er lykkedes med at forsyne materialer med en bioinspireret egenskab:Wafertyndt stift nanopapir bliver øjeblikkeligt blødt og elastisk ved et tryk på en knap.

"Vi har udstyret materialet med en mekanisme, så styrken og stivheden kan moduleres via en elektrisk kontakt, " forklarede Walther. Så snart der tilføres en elektrisk strøm, nanopapiret bliver blødt; når strømmen stopper, den genvinder sin styrke. Fra et applikationsperspektiv, denne omskiftbarhed kunne være interessant for dæmpningsmaterialer, for eksempel. Arbejdet, som også involverede forskere fra University of Freiburg og Cluster of Excellence on Living, Fleksibel, og energi-autonome materialesystemer (livMatS) finansieret af den tyske forskningsfond (DFG), blev udgivet i Naturkommunikation .

Inspiration fra havbunden:Mekanisk kontakt tjener en beskyttende funktion

Den naturbaserede inspiration kommer i dette tilfælde fra havagurker. Disse havdyr har en særlig forsvarsmekanisme:Når de bliver angrebet af rovdyr i deres habitat på havbunden, søagurker kan tilpasse og styrke deres væv, så deres bløde ydre straks stivner. "Dette er en adaptiv mekanisk adfærd, der er fundamentalt vanskelig at replikere, " sagde professor Andreas Walther. Med deres arbejde nu offentliggjort, hans team har haft held med at efterligne grundprincippet i en modificeret form ved hjælp af et attraktivt materiale og en lige så attraktiv koblingsmekanisme.

Forskerne brugte cellulosenanofibriller udvundet og bearbejdet fra træernes cellevæg. Nanofibriller er endnu finere end mikrofibrene i standardpapir og resulterer i en fuldstændig gennemsigtig, næsten glasagtigt papir. Materialet er stift og stærkt, appellerer til letvægtskonstruktion. Dens egenskaber kan endda sammenlignes med aluminiumslegeringer. I deres arbejde, forskerholdet anvendte elektricitet til disse cellulose nanofibriller-baserede nanopapirer. Ved hjælp af specialdesignede molekylære ændringer, materialet bliver fleksibelt som følge heraf. Processen er reversibel og kan styres af en tænd/sluk-knap.

"Dette er ekstraordinært. Alle materialer omkring os er ikke særlig foranderlige, de skifter ikke nemt fra stiv til elastisk og omvendt. Her, ved hjælp af elektricitet, det kan vi gøre på en enkel og elegant måde, " sagde Walther. Udviklingen bevæger sig dermed væk fra klassiske statiske materialer mod materialer med egenskaber, der kan tilpasses adaptivt. Dette er relevant for mekaniske materialer, som dermed kan gøres mere modstandsdygtig over for brud, eller til adaptive dæmpningsmaterialer, som kan skifte fra stiv til eftergivende, når den er overbelastet, for eksempel.

Målretning af et materiale med eget energilager til autonom tænd/sluk-switch

På molekylært niveau, processen går ud på at opvarme materialet ved at påføre en strøm og dermed reversibelt bryde tværbindingspunkter. Materialet blødgøres i forhold til den påførte spænding, dvs. jo højere spænding, jo flere tværbindingspunkter brydes og jo blødere bliver materialet. Professor Andreas Walthers vision for fremtiden starter også ved strømforsyningspunktet:Mens der i øjeblikket er brug for en strømkilde for at starte reaktionen, det næste mål ville være at producere et materiale med sit eget energilagringssystem, så reaktionen i det væsentlige udløses "internt" så snart, for eksempel, der opstår en overbelastning, og dæmpning bliver nødvendig. "Nu skal vi stadig selv dreje kontakten, men vores drøm ville være, at det materielle system var i stand til at udføre dette på egen hånd."