Materiaalwetenschappers van Rice University kijken naar de natuur - naar de schijven in menselijke stekels en de huid van oceaanduikende vissen, bijvoorbeeld - voor aanwijzingen over het ontwerpen van materialen met schijnbaar tegenstrijdige eigenschappen - flexibiliteit en stijfheid.

In onderzoek dat online in het tijdschrift verschijnt Geavanceerde materiaalinterfaces , afgestudeerde student Peter Owuor, onderzoekswetenschapper Chandra Sekhar Tiwary en collega's van de laboratoria van Rice Professor Pulickel Ajayan en Jun Lou ontdekten dat ze de stijfheid konden vergroten, of "elastische modulus, " van een zacht polymeer op basis van silicium door het te infuseren met kleine zakjes vloeibaar gallium.

Dergelijke composieten kunnen worden gebruikt in hoogenergetische absorptiematerialen en schokdempers en in biomimetische structuren zoals kunstmatige tussenwervelschijven, ze zeiden.

Owuor zei dat de conventionele wijsheid in composietontwerp van de afgelopen 60 jaar is geweest dat het toevoegen van een hardere stof de modulus verhoogt en het toevoegen van een zachtere de modulus verlaagt. In de meeste gevallen, dat is correct.

"Mensen hadden het niet echt van de andere kant bekeken, " zei hij. "Is het mogelijk om iets zachts toe te voegen aan iets anders dat ook zacht is en iets te krijgen met een hogere modulus? Als je naar de natuurlijke wereld kijkt, er zijn genoeg voorbeelden waar je precies dat vindt. Als materiaalwetenschappers, we wilden dit bestuderen, niet vanuit een biologisch perspectief, maar vanuit een mechanisch perspectief."

Bijvoorbeeld, de schijven tussen de wervels in menselijke stekels, die werken als schokdempers en banden, zijn gemaakt van een harde buitenlaag van kraakbeen en een zachte, gelei-achtige binnenkant. En de buitenhuid van diepduikende oceaanvissen en zoogdieren bevat talloze kleine met olie gevulde kamers - sommige niet groter dan een virus en andere groter dan hele cellen - die de dieren in staat stellen de intense druk te weerstaan ​​die duizenden voet onder de oceaanbodem bestaat. oppervlakte.

Het kiezen van de basismaterialen om deze levende systemen te modelleren was relatief eenvoudig, maar het vinden van een manier om ze samen te brengen om de natuur na te bootsen bleek moeilijk, zei Tiwary, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij Rice's Department of Materials Science and Nano Engineering.

Polydimethylsiloxaan, of PDMS, werd om een ​​aantal redenen gekozen als zachte omhullende laag:het is goedkoop, inert, niet-toxisch en veel gebruikt in alles van kit en aquariumkitten tot cosmetica en voedseladditieven. Het droogt ook helder op, waardoor het gemakkelijk was om de vloeistofbellen te zien die het team wilde inkapselen. Daarom, de onderzoekers kozen voor gallium, dat net als kwik vloeibaar is bij kamertemperatuur, maar in tegenstelling tot kwik is het niet giftig en relatief gemakkelijk om mee te werken.

Owuor zei dat het bijna vier maanden duurde om een ​​recept te vinden voor het inkapselen van galliumbellen in PDMS. Zijn testmonsters hebben ongeveer de diameter van een kleine munt en wel een centimeter dik. Door het PDMS langzaam uit te harden, Owuor ontwikkelde een proces waarmee hij galliumdruppels van verschillende groottes kon toevoegen. Sommige monsters bevatten één grote binnenkamer, en andere bevatten tot een dozijn afzonderlijke druppeltjes.

Elk monster werd onderworpen aan tientallen tests. Een dynamisch mechanisch analyse-instrument werd gebruikt om te meten hoeveel het materiaal onder belasting vervormde, en verschillende maatregelen zoals stijfheid, taaiheid en elasticiteit werden gemeten onder verschillende omstandigheden. Bijvoorbeeld, met een relatief kleine hoeveelheid koeling, gallium kan worden omgezet in een vaste stof. Het team kon dus enkele metingen vergelijken die werden genomen toen de galliumbollen vloeibaar waren met metingen die werden genomen toen de bollen vast waren.

Medewerkers Roy Mahapatra en Shashishekarayya Hiremath van het Indian Institute of Science in Bangalore gebruikten eindige-elementenmodellering en hydrodynamische simulaties om het team te helpen analyseren hoe de materialen zich gedroegen onder mechanische belasting. Op basis hiervan, de onderzoekers stelden vast dat zakken met vloeibaar gallium de composiet hogere energieabsorptie- en dissipatiekenmerken gaven dan gewone PDMS of PDMS met met lucht gevulde zakken.

"Wat we hebben laten zien is dat het niet altijd zachter maken van vloeistof in een vaste stof, en dankzij onze medewerkers kunnen we uitleggen waarom dit het geval is, "Zei Tiwary. "Vervolgens hopen we dit inzicht te gebruiken om te proberen materialen te ontwerpen om voordeel te halen uit deze eigenschappen."

Owuor en Tiwary zeiden dat alleen het gebruik van nano-engineering misschien niet het maximale effect oplevert. In plaats daarvan, de natuur maakt gebruik van hiërarchische structuren met kenmerken van verschillende grootte die zich op grotere schaal herhalen, zoals die gevonden worden in de met olie gevulde kamers in vissenhuid.

"Als je naar het membraan (van de vis) kijkt en het doorsnijdt, er is een laag waar je bollen met grote diameters hebt, en terwijl je beweegt, de diameters worden steeds kleiner, " zei Owuor. "De kamers zijn over de hele schaal te zien, van de nano tot de microschaal.

Tiwary zei, "Er zijn belangrijke kenmerken op nanoschaal in de natuur, maar het is niet allemaal nano. We kunnen ontdekken dat engineering op nanoschaal alleen niet genoeg is. We willen kijken of we hiërarchisch kunnen gaan ontwerpen."