Bekend als de polychaete worm, het gebruikt de punt van zijn kaak om dodelijk gif te injecteren. Het ontwerp van de kaak, met een gradiënt van harde materialen aan de punt verbonden met zachtere weefsels, verdrijft kracht en voorkomt ernstige schade aan de kaak. De gradiënt in mechanische eigenschappen is gecorreleerd met het aantal metaalionen dat beschikbaar is voor binding. Dit mechanisme inspireerde een nieuwe benadering om stijfheidsgradiënten te genereren in door mensen gemaakte polymeren. Via een eenvoudig proces, wetenschappers controleerden de dichtheid van de metaalionen langs een monster. De gradiënt in metaalion-interacties creëerde een continue gradiënt in mechanische eigenschappen die zich uitstrekte over een 200-voudige verandering in stijfheid, die van de biologie benadert.

Mechanische gradiënten (dat wil zeggen, van hard naar zacht) kan schade door grote krachten voorkomen. Het is moeilijk om materialen met grote gradiënten te ontwerpen. Het monster heeft tot nu toe de grootste continue overspanning in door mensen gemaakte materialen. Omdat het materiaal is gemaakt met gewone laboratoriumapparatuur, het zou op grote schaal beschikbaar kunnen worden gemaakt voor een breed scala aan toepassingen. Dergelijke materialen kunnen worden gebruikt als veerkrachtigere onderdelen in voertuigen, batterijen, en stroomopwekkingsapparaten. Verder, de bevindingen adresseren al lang bestaande problemen bij het ontwerp en de vorming van veerkrachtige polymeermaterialen.

Mechanische gradiënten worden in de natuur vaak gebruikt om schade door grote krachten te voorkomen door een soepele overgang van sterk naar zwak biologisch materiaal te creëren. Dit proces stelt levende organismen in staat om enorme krachten te weerstaan. De opgelopen spanning verdwijnt als deze wordt overgedragen van harde buitenste aanhangsels naar zwakkere, gemakkelijk beschadigd, interieur zachte weefsels. Synthetische nabootsingen van deze natuurlijke structuren zijn zeer gewenst om de verdeling van spanningen op grensvlakken te verbeteren en contactvervorming in door mensen gemaakte materialen te verminderen. Huidige synthetische gradiëntmaterialen hebben vaak last van niet-continue overgangen, relatief kleine gradiënten in mechanische eigenschappen, en moeilijke syntheses.

Wetenschappers van de University of California-Irvine hebben zowel de ontwerp- als de synthetische uitdagingen aangepakt door zich te laten inspireren door de polychaete-worm. De worm creëert een mechanische helling die schade aan zijn kaak tijdens bijten en gifinjectie voorkomt. De kaak van de worm maakt gebruik van een systeem van een toenemend aantal verknopingen tussen metaalionen en eiwitten die in staat zijn om selectief aan die ionen te binden. In het nieuwe door mensen gemaakte materiaal, zink, koper, of kobaltionen interageren in een dynamische, niet-permanente manier met motieven die de eiwitchemie nabootsen. De bindende liganden zijn covalent gebonden aan polymeren en afgeleid van op stikstof gebaseerde eenheden (imidazolen). De mate waarin een bepaald gebied stijf of zacht is, hangt af van de dichtheid van metaalionen - een hogere dichtheid produceert een stijver materiaal. Het variëren van deze dichtheid over de lengte van het materiaal genereert een reeks mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die in de kaak van de worm.

Deze metaalionengradiënt is gemaakt met een heel eenvoudig proces. Een polymeer werd bevestigd aan een apparaat dat het polymeer langzaam uit een metaalzoutoplossing optilde. Tegelijkertijd, extra metaaloplossing werd in de oorspronkelijke oplossing geïnjecteerd. Deze combinatie, samen met de dynamische metaal-ligand-interacties, zorgde ervoor dat de continue metaaliongradiënt werd gevormd langs de lengte van het polymere materiaal. De hoogste stijfheid trad op aan het uiteinde dat het langst in de metaaloplossing bleef en nam geleidelijk af op een manier die goed correleerde met blootstelling aan de zoutoplossing. De grootste en meest goed gedefinieerde gradiëntoverspanning vertoonde een 230-voudige toename in stijfheid. De omvang van dit bereik lijkt sterk op die van inktvissnavels, wat een standaard is voor veel gradiëntmaterialen.

De correlatie tussen metaalconcentratie en mechanische gradiënten geeft aan dat de metaal-imidazol-interacties de veerkracht verhogen. Deze eenvoudige benadering kan worden gegeneraliseerd om een ​​verscheidenheid aan materialen te creëren.