Bot is niet alleen een vast materiaal - het is een dynamische reeks structuren die hun massa en sterkte kunnen aanpassen op basis van de belastingen die ze moeten dragen.

Het ontwikkelen van dat soort adaptief materiaal is al lang de droom van wetenschappers. Nu voor het eerst, wetenschappers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) aan de Universiteit van Chicago hebben een gelmateriaal ontwikkeld dat sterker wordt bij blootstelling aan trillingen.

Niet alleen waren wetenschappers in staat om het materiaal 66 keer sterker te maken door middel van trillingen, ze waren ook in staat om alleen de gebieden te versterken die aan beweging waren blootgesteld. Dat soort specificiteit zou kunnen leiden tot nieuwe kleefstoffen en betere manieren om implantaten in het lichaam te integreren.

De resultaten zijn op 22 februari gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"Elk ander materiaal wordt zwakker als het wordt getrild, " zei Assoc. Prof. Aaron Esser-Kahn, die het onderzoek leidde. "Dit is de eerste keer dat we dat proces hebben omgekeerd, waaruit blijkt dat een materiaal zichzelf kan versterken met mechanische trillingen."

Een tweede netwerk vormen binnen het materiaal

Toen Esser-Kahn en zijn groep begonnen na te denken over het ontwikkelen van adaptieve materialen, ze probeerden te profiteren van het piëzo-elektrische effect, die bepaalde materialen het vermogen geeft om een ​​elektrische lading te genereren als reactie op mechanische belasting. Zo'n lading kan een reactie in een materiaal veroorzaken en het versterken, stelden ze voor.

Maar het bleek moeilijk om de juiste reactie op mechanische stress te genereren. Het team testte tientallen verschillende soorten chemicaliën voordat ze degene vonden die werkte:een polymeergel gemengd met thiol-eenreactoren en piëzo-elektrische deeltjes van zinkoxide.

Wanneer het materiaal wordt getrild, de deeltjes brengen energie over en creëren een thioleenreactie, waardoor de componenten in het materiaal verknopen. Die verknoping vormt in wezen een tweede netwerk in het materiaal, het versterken.

Hoewel het materiaal begon als een zachte, collageen materiaal, naarmate de trilling toenam, het materiaal werd steeds verder versterkt. Het team was in staat om de sterkte van het materiaal te vergroten tot 66 keer de oorspronkelijke sterkte, eindigend met een materiaal dat dicht bij de stijfheid van de inwendige delen van het bot lag.

"Net als bot, het materiaal versterkt tot de exacte hoeveelheid kracht die we erin stoppen, " zei Esser-Kahn. Niet alleen dat, het materiaal werd niet alleen overal sterker - het versterkte zichzelf selectief op specifieke gebieden waar het in hogere mate werd benadrukt.

Nieuwe soorten lijmen creëren die integreren met het lichaam

Dat soort selectieve versterking zou kunnen leiden tot materialen die selectief kunnen verstijven - en een nieuwe manier om structuren te ontwerpen. Misschien kan het onderdeel worden van een gebouw dat sterker wordt naarmate het ouder wordt, of worden gebruikt om materialen aan elkaar te hechten in een vliegtuig.

"Lijmen kunnen hierdoor enorm worden beïnvloed, "Zei Esser-Kahn. "Lijmen zijn bijna altijd het punt van mislukking in materialen. Dit zou kunnen leiden tot gespecialiseerde lijmen die veel beter hechten en uitharden."

De groep onderzoekt hoe het materiaal kan worden gebruikt om kunstmatige materialen beter in het menselijk lichaam te integreren - in heupimplantaten, bijvoorbeeld.

"Geen twee mensen zijn hetzelfde, en een materiaal als dit is hoe we materialen gaan maken die zich hetzelfde gedragen als in de biologie, ' zei Esser-Kahn.

Andere auteurs op het papier zijn onder meer postdoctoraal onderzoekers Zhao Wang, juni Wang, en Saikat-Manna; afgestudeerde student Jorge Ayarza; voormalig afgestudeerd onderzoeker Tim Steeves; en Ziying Hu van de Northwestern University.