Soms, regels overtreden is niet erg. Vooral als de regels schijnbare natuurwetten zijn die gelden in stortgoed, maar andere krachten verschijnen op de nanoschaal.

"De natuur weet hoe ze vanuit het kleine moet gaan, atomaire schaal naar grotere schalen, " zei Melik Demirel, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica en houder van de Lloyd en Dorothy Foehr Huck-leerstoel in Biomimetic Materials. "Ingenieurs hebben mengregels gebruikt om eigenschappen te verbeteren, maar zijn beperkt tot een enkele schaal. We zijn nog nooit naar het volgende niveau van hiërarchische engineering gegaan. De belangrijkste uitdaging is dat er schijnbare krachten zijn op verschillende schalen, van moleculen tot bulk."

composieten, per definitie, bestaan ​​uit meer dan één component. Mengselregels zeggen dat, terwijl de verhoudingen van de ene component tot de andere kunnen variëren, er is een grens aan de fysieke eigenschappen van het composiet. Volgens Demirel, zijn team heeft die grens overschreden, in ieder geval op nanoschaal.

"Als je een geleidende polymeercomposiet hebt, worden de hoeveelheden polymeer en metaalverbinding beperkt door de regel van mengsels, "zei Demirel. "De regels regelen alles over de matrix en vulmiddel. We namen materialen - een biopolymeer en een atomair dun geleidend materiaal - en lieten ze ordenen door zelfassemblage, en brak de regel van mengsels."

De materialen van het team zijn samengesteld uit een biomimetisch polymeer op basis van tandem repeat-eiwitten geproduceerd door genduplicatie en geïnspireerd door de structuur van inktvisringtandeiwitten, en geleidend titaniumcarbide 2-D MXene, een slechts een paar moleculen dikke laag metaal. Deze gelaagde composiet assembleert zichzelf en het polymeer bemiddelt de afstand tussen de metaallagen. Door gebruik te maken van genetische manipulatie van tandem repeat-eiwitten - een biopolymeer dat een geconserveerde sequentie herhaalt - kunnen de onderzoekers de afstand tussen de lagen van geleidende lagen regelen zonder de samengestelde fracties te veranderen. Het doel van de onderzoekers is om met behulp van synthetische biologie zelf-assemblerende materialen te maken met ongekende controle over hun fysieke eigenschappen.

Omdat het polymeer zichzelf assembleert tot een verknoopt netwerk, de matrix-tot-vulstofverhoudingen in kleine gebieden kunnen de mengselregels overtreden, en de elektrische eigenschappen van het gelaagde materiaal veranderen. De onderzoekers rapporteren de resultaten van hun werk in een recent nummer van ACS Nano .

Deze biomimetische polymeermetaalcomposiet kan zowel flexibel als geleidend zijn in de juiste bulkmengsels. Op microscopische schaal, wanneer de structurele symmetrie wordt verbroken, elektrische geleidbaarheid is afhankelijk van de richting.

"Wat uniek is, is dat je nu in-plane elektrische geleidbaarheid kunt krijgen die verschilt van out-of-plane geleidbaarheid, ' zei Demirel.

Zolang de stroom langs het vlak van de 2D materiaallagen loopt, de geleidbaarheid is lineair, maar als de stroom over de lagen wordt geleid, de geleidbaarheid wordt niet-lineair.

"Nu kunnen we een opslagapparaat maken, "zei Demirel. "We zouden ook diodes kunnen maken, schakelaars, regelgevers en andere elektronische apparaten. We willen materialen maken die zijn ontworpen met de gewenste eigenschappen voor het bouwen van nieuwe functionaliteiten, die moeilijk te bereiken of voorheen onbereikbaar zijn."