Een breed scala aan op polymeer gebaseerde materialen, van bandenrubber en wetsuit neopreen tot Lycra kleding en siliconen, zijn elastomeren die gewaardeerd worden vanwege hun vermogen om te buigen en uit te rekken zonder te breken en om terug te keren naar hun oorspronkelijke vorm.

Dergelijke materialen sterker maken betekent meestal dat ze brozer moeten worden. Dat is omdat, structureel, elastomeren zijn nogal vormeloze netwerken van polymeerstrengen - vaak vergeleken met een bundel ongeorganiseerde spaghettinoedels - die bij elkaar worden gehouden door een paar chemische verknopingen. Het versterken van een polymeer vereist het vergroten van de dichtheid van verknopingen tussen de strengen door meer verbindingen te creëren. Dit zorgt ervoor dat de strengen van het elastomeer weerstand bieden tegen uitrekken van elkaar, waardoor het materiaal een meer georganiseerde structuur krijgt, maar het ook stijver en vatbaarder maakt voor falen.

Geïnspireerd door de stoere, flexibele polymere byssal-draden die zeemosselen gebruiken om zich vast te maken aan oppervlakken in de ruige intergetijdenzone, een team van onderzoekers verbonden aan UC Santa Barbara's Materials Research Laboratory (MRL) heeft een methode ontwikkeld om de inherente wisselwerking tussen sterkte en flexibiliteit in elastomere polymeren te overwinnen. De bevindingen van de groep verschijnen in het tijdschrift Wetenschap .

"In het afgelopen decennium, we hebben enorme vooruitgang geboekt in het begrijpen hoe biologische materialen hun sterkte behouden onder belasting, " zei corresponderende auteur Megan Valentine, een universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde van de UCSB. "In deze krant, we demonstreren ons vermogen om dat inzicht te gebruiken om bruikbare, door de mens gemaakte materialen te ontwikkelen. Dit werk opent spannende ontdekkingsroutes voor veel commerciële en industriële toepassingen."

Eerdere inspanningen, ook geïnspireerd door de chemie van de mossel, waren beperkt tot natte, zachte systemen zoals hydrogels. Daarentegen, de UCSB-onderzoekers integreerden de door mosselen geïnspireerde ijzercoördinatiebindingen in een droog polymeersysteem. Dit is belangrijk omdat een dergelijk droog polymeer mogelijk in de plaats kan komen van stijve maar brosse materialen, vooral in impact- en torsiegerelateerde toepassingen.

"We ontdekten dat het natte netwerk 25 keer minder stijf was en brak bij een vijf keer kortere rek dan een vergelijkbaar geconstrueerd droog netwerk, ", legt mede-hoofdauteur Emmanuela Filippidi uit, een postdoctoraal onderzoeker in het Valentine Lab aan de UCSB. "Dat is een interessant resultaat, maar een verwachte. Wat echt opvalt, is wat er gebeurde toen we het droge netwerk voor en na het toevoegen van ijzer vergeleken. Het behield niet alleen zijn rekbaarheid, maar het werd ook 800 keer stijver en 100 keer taaier in de aanwezigheid van deze herconfigureerbare ijzer-catecholbindingen. Dat was onverwachts."

Om netwerken te bereiken met een architectuur en prestaties die vergelijkbaar zijn met die van de mosselbyssale cuticula, het team synthetiseerde een amorf, losjes verknoopt epoxynetwerk en vervolgens behandeld met ijzer om dynamische ijzer-catechol-verknopingen te vormen. Bij afwezigheid van ijzer, wanneer een van de covalente verknopingen breekt, het is voor altijd gebroken, omdat er geen mechanisme voor zelfgenezing bestaat. Maar wanneer de reversibele ijzer-catechol-coördinatiebindingen aanwezig zijn, elk van die ijzerhoudende gebroken verknopingen kan zich hervormen, niet per se op precies dezelfde plaats, maar in de buurt, waardoor de veerkracht van het materiaal behouden blijft, zelfs als de sterkte toeneemt. Het materiaal is zowel stijver als taaier dan vergelijkbare netwerken zonder ijzerhoudende coördinatiebindingen.

Naarmate het ijzer-catechol-netwerk wordt uitgerekt, het slaat de energie niet op, dus als de spanning wordt losgelaten, het materiaal stuitert niet terug als een rubberen band, maar liever, verdrijft de energie. Het materiaal herstelt zich dan langzaam om zijn oorspronkelijke vorm weer aan te nemen, op vrijwel dezelfde manier als een visco-elastisch materiaal zoals traagschuim dat doet nadat de druk erop is opgeheven.

"Een materiaal met die eigenschap, een 'energiedissipatief plastic' genoemd, ' is bruikbaar voor coatings, " zei co-hoofdauteur Thomas Cristiani, een UCSB-afgestudeerde student in de Israelachvili Group. "Het zou een geweldig telefoonhoesje zijn omdat het een grote hoeveelheid energie zou absorberen, dus de telefoon zou minder snel breken bij een botsing met de vloer en zou worden beschermd."

Het droge systeem dat de onderzoekers gebruikten, is om twee redenen belangrijk. In een nat systeem, het netwerk absorbeert water, waardoor de polymeerketens uitrekken, dus er blijft niet veel extra flexibiliteit over. Maar met een droog materiaal, de amorfe spaghetti-achtige strengen zijn aanvankelijk zeer compact, met veel ruimte om te strekken. Wanneer de ijzerverknopingen worden toegevoegd om het polymeer te versterken, de rekbaarheid van het droge materiaal wordt niet aangetast, omdat die banden kunnen breken, zodat de polymeerketens niet op hun plaats worden vergrendeld. Aanvullend, door het water uit het netwerk te verwijderen, komen de catechol en het ijzer dichter bij elkaar en kunnen ze gebieden met een hoge connectiviteit vormen, wat de mechanische eigenschappen verbetert.

"Dit verschil tussen respons in natte en droge systemen is enorm en maakt onze aanpak een game-changer in termen van het synthetiseren van bruikbare technische materialen voor high-impact toepassingen, ' zei Valentijn.