Bioinspireret protein skaber strækbare 2D-lagmaterialer

Naturen skaber lagdelte materialer som knogler og perlemor, der bliver mindre følsomme over for defekter, når de vokser. Nu har forskere skabt sammensatte 2D-materialer, der er modstandsdygtige over for brud og ekstremt strækbare, ved hjælp af biomimetiske proteiner mønstret på blæksprutterringtænder.

"Forskere rapporterede sjældent denne grænsefladeegenskab for knogler og perlemor, fordi det var svært at måle eksperimentelt," sagde Melik Demirel, Lloyd og Dorothy Foehr Huck Chair i Biomimetic Materials og direktør for Center for Advanced Fiber Technologies, Penn State.

Sammensatte 2D-materialer består af atomtykke lag af et hårdt materiale, som grafen eller en MXene - normalt et overgangsmetalcarbid, nitrid eller carbonitrid - adskilt af lag af noget for at lime lagene sammen. Mens store bidder af grafen eller MXener har bulk-egenskaber, kommer 2D-kompositters styrke fra grænsefladeegenskaber.

"Fordi vi bruger et grænseflademateriale, som vi kan ændre ved at gentage sekvenser, kan vi finjustere egenskaberne," sagde Demirel. "Vi kan gøre det meget fleksibelt og meget stærkt på samme tid."

Han bemærkede, at materialerne også kan have unikke termiske ledningsregimer eller egenskaber, der spreder varme i én retning stærkere end ved 90 grader. Resultaterne af dette arbejde blev offentliggjort i dag (25. juli) i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Dette materiale ville være fantastisk til indlægssåler til løbesko," sagde Demirel. "Det kunne afkøle foden, og den gentagne bøjning ville ikke knække indersålen."

Disse 2D-kompositter kan bruges til fleksible printkort, bærbare enheder og andet udstyr, der kræver styrke og fleksibilitet.

Ifølge Demirel forklarer traditionel kontinuumteori ikke, hvorfor disse materialer er både stærke og fleksible, men simuleringer viste, at grænsefladen betyder noget. Det, der tilsyneladende sker, er, at med en højere procentdel af materialet, der består af grænsefladen, knækker grænsefladen nogle steder, når materialet er under stress, men materialet som helhed går ikke i stykker.

"Grænsefladen går i stykker, men materialet gør det ikke," sagde Demirel. "Vi forventede, at de ville blive kompatible, men lige pludselig er de ikke kun kompatible, men superstrækbare."

Andre, der arbejdede på dette projekt fra Penn State, var Mert Vural, postdoc-stipendiat; Tarek Mazeed, postdoc; Oguzhan Colak, kandidatstuderende; og Reginald F. Hamilton, lektor alle i ingeniørvidenskab og mekanik.

Dong Li og Huajian Gao, professor i maskin- og rumfartsteknik, arbejdede også på denne forskning, begge ved Nanyang Technological University, Singapore. + Udforsk yderligere

Selvsamlende, biomimetiske kompositter har usædvanlige elektriske egenskaber