In de wereld van materialen, stijfheid en elasticiteit bevinden zich meestal aan tegenovergestelde uiteinden van het continuüm. Typisch, hoe elastischer een materiaal, hoe minder hij in staat is om lasten te dragen en krachten te weerstaan. Hoe stijver het is, hoe vatbaarder het is om te scheuren bij lagere spanningen wanneer de belasting of kracht zijn capaciteit overschrijdt. Een doel voor veel materiaalwetenschappers is om een ​​materiaal te creëren dat het beste van twee werelden samenbrengt.

Bij UC Santa Barbara, wetenschappers zijn een stap dichter bij dat doel gekomen. In een recent gepubliceerde studie, auteurs Kayetan Chorazewicz, Sameer Sundrani en Kollbe Ahn beschrijven een mechanisme waarmee een materiaal zeer rekbaar kan worden gemaakt zonder in te boeten aan sterkte en stijfheid. De krant, "Bio-geïnspireerde functionele gradiënten voor taaiheidsvergroting in synthetische polymeersystemen, " verschijnt in het journaal Macromoleculaire chemie en fysica .

Voor inspiratie, onderzoekers keken niet verder dan het strand.

"Je kunt zowel stijfheid als rekbaarheid zien aan de byssusdraden van mosselen, " zei co-lead auteur Chorazewicz. Mosselen brengen hun leven door in de rotsachtige intergetijdenzone, waar hun vermogen om vast te houden een kwestie van leven en dood is. De draden die ze op de rotsen uitstralen, moeten zowel rekbaar genoeg zijn om de juiste "grip" op onregelmatige oppervlakken te vinden en het constante beuken van golven te absorberen, maar toch stijf genoeg om te voorkomen dat de mosselen zelf in de stroming stuiteren en tegen de structuren stoten waaraan ze zijn bevestigd. De optimale combinatie van de twee kwaliteiten is een van de geheimen van hun succes in zo'n variabele en onherbergzame omgeving.

In navolging van de weekdieren, de onderzoekers ontwierpen een functioneel gesorteerd materiaal - een relatief nieuwe klasse materialen die gebruikmaakt van verschillen in hun samenstelling - om een ​​synthetische versie van de byssusdraden van de mosselen te creëren die niet alleen de afweging tussen flexibiliteit en sterkte minimaliseert, maar kan ook in natte omgevingen worden gebruikt.

De sleutel tot deze technologie is een verknoopte combinatie van het monomeer benzylacrylaat (BZA) met triethyleenglycoldimethacrylaat (TEGDMA), een veelgebruikt polymeer dat wordt gebruikt in vulmiddelen voor tandheelkundige restauraties. Verknoping, volgens de onderzoekers in tegenstelling tot het creëren van een "sandwich" van afzonderlijke lagen BZA of TEGDMA, geeft het resulterende materiaal eigenschappen die geen van beiden alleen zouden hebben:het vermogen om spanning te weerstaan ​​bij een breed temperatuurbereik, en het vermogen om lasten te dragen. De copolymeercombinatie kan verder worden afgestemd zodat de lagen verschillende niveaus van elasticiteit hebben, op dezelfde manier als byssusdraden een elasticiteitsgradiënt vertonen die verandert van de zachte kern van collageenvezels naar de harde buitenste cuticula. Op deze manier, spanningen op het materiaal kunnen ofwel effectief worden geabsorbeerd of volledig worden weerstaan.

"Het kan ook voorkomen dat breuken zich door het materiaal verspreiden, " zei co-hoofdauteur Sundrani. Mocht er sprake zijn van overmatige stress, de spanningsenergie zou worden omgeleid en beperkt en een deel van het materiaal zou kunnen worden opgeofferd in een "gunstige delaminatie" die het falen van de hele structuur zou voorkomen.

Deze technologie heeft een breed scala aan toepassingen.

"Tegenwoordig, steeds meer materialen worden vervangen door kunstmatige polymeren, " zei de oudste van de krant, corresponderende auteur Ahn, die veel heeft gewerkt met op mosselen geïnspireerde biomimetische polymeren. "We kunnen ons elk materiaal op polymeerbasis voorstellen dat dragende, " hij voegde toe, inclusief hardere kunststoffen, beschermingsmiddelen zoals helmen, constructiedelen en duurzamere vliegtuigen, voertuig- en vaartuigonderdelen.

Aanvullend, op het gebied van geneeskunde, bio-engineering, bio-elektronica en zelfs zachte robotica zouden kunnen profiteren van dergelijke functioneel gesorteerde materialen, die kunnen worden gebruikt om protheses te maken, kunstmatige gewrichten en organen, of zachte actuatoren en machines.

"Een andere veel praktische toepassing zou zijn om gegradeerde materialen zoals de onze toe te passen op coatings over reeds bestaande materialen in plaats van ze volledig te vervangen, bijvoorbeeld, stijve kunststoffen of zelfs biomedische implantaten, ' zei Sundrani.

"Wat onze functioneel gesorteerde materialen suggereren, " merkte Chorazewicz op, "is een nieuwe klasse materialen om een ​​breed scala van deze rollen te vervullen in plaats van een specifieke niche - en aangezien deze materialen afstembaar zijn, ze kunnen zo hard of zacht zijn als nodig is voor het beoogde gebruik."

Dit artikel is het resultaat van een unieke samenwerking geïnspireerd door UCSB's Research Mentorship Program (RMP), een zomersessieprogramma dat goed presterende middelbare scholieren en senioren koppelt aan universitaire onderzoekers om origineel onderzoek te doen. Op het moment dat ze dit onderzoek startten, zowel Chorazewicz en Sundrani waren middelbare school senioren. Dankzij hun ongewone drive en het voortdurende mentorschap en de begeleiding van Ahn na hun zes weken bij RMP, de junior auteurs van dit artikel waren in staat om onderzoek te doen, schrijven hun paper en publiceren in een peer-reviewed wetenschappelijk tijdschrift voordat ze zelfs maar aan hun universiteitscarrière begonnen. Chorazewicz en Sundrani prijzen Ahn voor zijn mate van betrokkenheid bij hun ontluikende en veelbelovende wetenschappelijke en technische loopbaan, terwijl Ahn de toewijding van zijn voormalige RMP-studenten erkent.