Een nieuw slim en responsief materiaal kan verstijven als een uitgewerkte spier, zeggen de ingenieurs van de Iowa State University die het hebben ontwikkeld.

Span een spier aan en hij wordt sterker. Mechanisch belasten van het rubberachtige materiaal - zeg maar met een draai of een bocht - en het materiaal verstijft automatisch tot 300 procent, zeiden de ingenieurs. Bij laboratoriumtesten, mechanische spanningen transformeerden een flexibele strook van het materiaal in een harde composiet die 50 keer zijn eigen gewicht kan dragen.

Dit nieuwe composietmateriaal heeft geen externe energiebronnen nodig, zoals warmte, licht of elektriciteit om de eigenschappen ervan te veranderen. En het kan op verschillende manieren worden gebruikt, inclusief toepassingen in de geneeskunde en de industrie.

Het materiaal wordt beschreven in een paper dat onlangs online is gepubliceerd door het wetenschappelijke tijdschrift Materialen Horizons . De hoofdauteurs zijn Martin Thuo en Michael Bartlett, Iowa State assistent-professoren materiaalwetenschap en techniek. Eerste auteurs zijn Boyce Chang en Ravi Tutika, Iowa State doctoraatsstudenten in materiaalkunde en techniek. Chang is ook een student medewerker van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Iowa State startup-fondsen voor Thuo en Bartlett ondersteunden de ontwikkeling van het nieuwe materiaal. Thuo's Black &Veatch-faculteitsbeurs hielp ook bij het ondersteunen van het project.

De ontwikkeling van het materiaal combineerde Thuo's expertise op het gebied van microformaat, vloeibaar-metaaldeeltjes met Bartlett's expertise in zachte materialen zoals rubbers, kunststoffen en gels.

Het is een krachtige combinatie.

De onderzoekers vonden een eenvoudige, goedkope manier om deeltjes van ondergekoeld metaal te produceren - dat is metaal dat zelfs onder de smelttemperatuur vloeibaar blijft. De kleine deeltjes (ze zijn slechts 1 tot 20 miljoenste van een meter groot) worden gecreëerd door druppeltjes gesmolten metaal bloot te stellen aan zuurstof, het creëren van een oxidatielaag die de druppels bedekt en voorkomt dat het vloeibare metaal vast wordt. Ze vonden ook manieren om de vloeibaar-metaaldeeltjes te mengen met een rubberachtig elastomeermateriaal zonder de deeltjes te breken.

Wanneer dit hybride materiaal onderhevig is aan mechanische spanningen - duwen, draaien, buigen, knijpen - de vloeibaar-metaaldeeltjes breken open. Het vloeibare metaal stroomt uit de oxideschil, smelt samen en stolt.

"Je kunt deze deeltjes samenknijpen als een ballon, ' zei Thuo. 'Als ze knallen, dat is wat het metaal doet vloeien en stollen."

Het resultaat, Bartlett zei, is een "metalen gaas dat zich in het materiaal vormt."

Thuo en Bartlett zeiden dat het ploffende punt kan worden afgesteld om het vloeibare metaal te laten vloeien na verschillende hoeveelheden mechanische spanning. Tuning kan het veranderen van het gebruikte metaal inhouden, het veranderen van de deeltjesgrootte of het veranderen van het zachte materiaal.

In dit geval, de vloeibaar-metaaldeeltjes bevatten Field's metaal, een legering van bismut, indium en tin. Maar Thuo zei dat andere metalen zullen werken, te.

"Het idee is dat ongeacht welk metaal je kunt onderkoelen, je krijgt hetzelfde gedrag, " hij zei.

De ingenieurs zeggen dat het nieuwe materiaal kan worden gebruikt in de geneeskunde om kwetsbare weefsels te ondersteunen of in de industrie om waardevolle sensoren te beschermen. Er kunnen ook toepassingen zijn in zachte en bio-geïnspireerde robotica of herconfigureerbare en draagbare elektronica. De Iowa State University Research Foundation werkt aan patenten op het materiaal en het is beschikbaar voor licenties.

"Een apparaat met dit materiaal kan tot een bepaalde belasting doorbuigen, "Zei Bartlett. "Maar als je het blijft benadrukken, het elastomeer zal verstijven en deze krachten stoppen of vertragen."

En dat, zeggen de ingenieurs, is hoe ze wat spierkracht in hun nieuwe slimme materiaal stoppen.