Door flexibele en stijve materialen te combineren, heeft bamboe een sterkte-gewichtsverhouding gekregen die wedijvert met staal. Door geleidelijk van een zachte naar harde substantie over te gaan, kan de squishy inktvis prooi in stukken snijden met stijve, schaarachtige snavels.

Met behulp van een nieuw model dat mede is ontwikkeld aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln, deze twee door evolutie aangescherpte principes zouden ingenieurs uiteindelijk in staat kunnen stellen om de sterkte van op polymeer gebaseerde componenten te verdubbelen of te verdrievoudigen.

Natuurlijke selectie heeft vaak de voorkeur gegeven aan het integreren van flexibele en stijve materialen omdat ze samen beter kunnen presteren - grotere krachten weerstaan, het dragen van zwaardere lasten – dan alleen. Deze voordelen komen vooral naar voren wanneer de materialen dezelfde ruimte kunnen innemen, zoals ze doen in interpenetrerende polymeernetwerken:twee of meer sets van netwerken op moleculaire schaal die door elkaar heen weven zonder daadwerkelijk met elkaar te verbinden.

Maar om het meeste uit deze netwerken te halen, moet ook de verhouding tussen hard en zacht in de ruimte worden gevarieerd, een verloop maken. Terwijl een 70-30-verhouding het beste zou kunnen werken op één locatie, 50-50 of 30-70 zou in een ander ideaal kunnen zijn.

Dus Nebraska, Franse en Chinese onderzoekers verfijnden een model dat een optimale gradiënt op een structuur kan toewijzen, terwijl ze berekenen hoeveel die gradiënt de prestaties van de structuur verbetert.

"Normaal gesproken, als je dingen mengt, zij scheiden, " zei mede-bedenker van het model Mehrdad Negahban, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Nebraska. "Je kunt het zien als een eiland van het ene materiaal en een oceaan van een ander materiaal.

"Het eiland en die oceaan hebben een grens, en dat blijkt het zwakste punt van een materiaal te zijn. Dus twee materialen zullen in wezen falen … waar ze verbonden zijn. Maar als je ze doordringt, je hebt deze zwakke grenzen niet."

Het team demonstreerde zijn model door de treksterkte te analyseren - in wezen een weerstand om uit elkaar te worden getrokken - van een plaat met een klein gaatje in het midden. Eerst maten de onderzoekers de sterkte van een plaat gemaakt van alleen epoxy, een stijf polymeer dat het best bekend staat als een kleefstof. Toen hun model een gradiënt van epoxy optimaliseerde, vermengd met acrylaat - een zwakkere, flexibeler polymeer - ze ontdekten dat de treksterkte van de plaat bijna verdrievoudigde. Hetzelfde, een L-vormige beugel zag zijn treksterkte verdubbelen nadat het model zijn optimale epoxy-acrylaatgradiënt had uitgezet.

"We veranderen het mengsel, maar het totale gewicht is ongeveer hetzelfde, "Zei Negahban. "Gewoon door de juiste dingen op de juiste plaats te zetten, we kunnen het plotseling veel laten functioneren, veel beter - dat wil zeggen het presteert aanzienlijk beter dan het sterkere onderdeel.

"Dit kan twee kanten op. Je zou dit kunnen gebruiken om het gewicht te verminderen of het draagvermogen te vergroten."

Op een fundamenteel niveau, het model van het team werkt door een structuur te bedekken met een raster van maximaal enkele honderden knooppunten. Vervolgens wijst het een verhouding van gegeven materialen toe aan elk knooppunt in het raster, berekenen hoe de resulterende gradiënt de algehele sterkte van de constructie beïnvloedt.

"Het zal dit miljoenen keren doen totdat het de (permutatie) vindt die de hoogste belasting kan dragen, ' zei Negahban.

Vanaf nu, Negahban zei, interpenetrerende polymeernetwerken zijn moeilijk te fabriceren. De opkomst van 3D-printen heeft gesuggereerd op een mogelijke aanpak voor het bouwen van componenten uit de netwerken, hoewel er nog werk aan de winkel is voordat ingenieurs polymeren gemakkelijk op moleculaire schaal kunnen verweven.

Maar Negahban zei dat het waarschijnlijk slechts een kwestie van tijd is voordat er een techniek opduikt om vollediger te profiteren van het model dat hij en zijn collega's naar voren hebben gebracht.

"Mensen komen met verschillende ideeën om ze te (incorporeren), "zei hij. "Ik denk dat het zal gebeuren."

Negahban en zijn collega's hebben hun model beschreven in het tijdschrift Materialen en ontwerp .