De onderbuik van een kreeft is bekleed met een dunne, doorschijnend membraan dat zowel rekbaar als verrassend sterk is. Dit marine-onderpantser, zoals MIT-ingenieurs meldden in 2019, is gemaakt van de zwaarste bekende hydrogel in de natuur, die ook nog eens zeer flexibel is. Deze combinatie van kracht en rek helpt een kreeft te beschermen terwijl hij over de zeebodem scharrelt, terwijl het ook heen en weer kan buigen om te zwemmen.

Nu heeft een apart MIT-team een ​​op hydrogel gebaseerd materiaal gefabriceerd dat de structuur van de onderbuik van de kreeft nabootst. De onderzoekers hebben het materiaal door een reeks rek- en impacttests geleid, en toonde aan dat vergelijkbaar met de kreeft onderbuik, het synthetische materiaal is opmerkelijk "vermoeidheidsbestendig, " bestand tegen herhaalde rek en spanningen zonder te scheuren.

Als het fabricageproces aanzienlijk zou kunnen worden opgeschaald, materialen gemaakt van nanovezelige hydrogels kunnen worden gebruikt om rekbare en sterke vervangende weefsels te maken, zoals kunstmatige pezen en ligamenten.

De resultaten van het team worden gepubliceerd in het tijdschrift Materie . De MIT-co-auteurs van het artikel zijn onder meer postdocs Jiahua Ni en Shaoting Lin; afgestudeerde studenten Xinyue Liu en Yuchen Sun; hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart Raul Radovitzky; hoogleraar scheikunde Keith Nelson; professor werktuigbouwkunde Xuanhe Zhao; en voormalig onderzoeker David Veysset Ph.D. '16, nu aan de Stanford University; samen met Zhao Qin, assistent-professor aan de Universiteit van Syracuse, en Alex Hsieh van het legeronderzoekslaboratorium.

De draai van de natuur

in 2019, Lin en andere leden van Zhao's groep ontwikkelden een nieuw soort materiaal dat bestand is tegen vermoeidheid, gemaakt van hydrogel - een gelatineachtige klasse van materialen die voornamelijk bestaat uit water en verknoopte polymeren. Ze maakten het materiaal van ultradunne vezels van hydrogel, die op één lijn lag als vele strengen verzameld stro wanneer het materiaal herhaaldelijk werd uitgerekt. Deze training verhoogde toevallig ook de vermoeidheidsweerstand van de hydrogel.

"Op dat moment, we hadden het gevoel dat nanovezels in hydrogels belangrijk waren, en hoopten de fibrilstructuren te manipuleren zodat we de vermoeidheidsweerstand konden optimaliseren, " zegt Lin.

In hun nieuwe studie de onderzoekers combineerden een aantal technieken om sterkere hydrogel-nanovezels te maken. Het proces begint met elektrospinnen, een vezelproductietechniek die elektrische ladingen gebruikt om ultradunne draden uit polymeeroplossingen te trekken. Het team gebruikte hoogspanningsladingen om nanovezels uit een polymeeroplossing te spinnen. om een ​​platte film van nanovezels te vormen, elk met een afmeting van ongeveer 800 nanometer - een fractie van de diameter van een mensenhaar.

Ze plaatsten de film in een kamer met een hoge luchtvochtigheid om de afzonderlijke vezels te lassen tot een stevige, onderling verbonden netwerk, en plaats de film vervolgens in een incubator om de individuele nanovezels bij hoge temperaturen te kristalliseren, het materiaal verder versterken.

Ze testten de vermoeidheidsweerstand van de film door hem in een machine te plaatsen die hem herhaaldelijk over tienduizenden cycli rekte. Ze maakten ook inkepingen in sommige films en observeerden hoe de scheuren zich voortplantten terwijl de films herhaaldelijk werden uitgerekt. Uit deze testen is ze berekenden dat de nanovezelfilms 50 keer beter bestand waren tegen vermoeidheid dan de conventionele nanovezelachtige hydrogels.

Rond deze tijd, ze lazen met belangstelling een studie van Ming Guo, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT, die de mechanische eigenschappen van de onderbuik van een kreeft kenmerkte. Dit beschermende membraan is gemaakt van dunne vellen chitine, een natuurtalent, vezelachtig materiaal dat qua samenstelling vergelijkbaar is met de hydrogel-nanovezels van de groep.

Guo ontdekte dat een dwarsdoorsnede van het kreeftenmembraan vellen chitine onthulde die onder een hoek van 36 graden waren gestapeld, vergelijkbaar met gedraaid multiplex, of een wenteltrap. Deze roterende, gelaagde configuratie, bekend als een bouligand-structuur, verbeterde de eigenschappen van rek en sterkte van het membraan.

"We hebben geleerd dat deze bouligand-structuur in de onderbuik van de kreeft hoge mechanische prestaties heeft, die ons motiveerde om te kijken of we dergelijke structuren in synthetische materialen konden reproduceren, "zegt Lin.

Hoekige architectuur

nee, Lin, en leden van Zhao's groep werkten samen met Nelson's lab en Radovitzky's groep in MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies, en Qin's lab aan de Universiteit van Syracuse, om te zien of ze de bouligand-membraanstructuur van de kreeft konden reproduceren met behulp van hun synthetische, vermoeiingsbestendige films.

"We hebben uitgelijnde nanovezels voorbereid door elektrospinning om de kinvezels na te bootsen die in de onderbuik van de kreeft bestonden, ' zegt Ni.

Na het elektrospinnen van nanovezelfilms, de onderzoekers stapelden elk van de vijf films achter elkaar op, hoeken van 36 graden om een ​​enkele bouligand-structuur te vormen, die ze vervolgens hebben gelast en gekristalliseerd om het materiaal te versterken. Het eindproduct was 9 vierkante centimeter groot en ongeveer 30 tot 40 micron dik, ongeveer zo groot als een klein stukje plakband.

Rektests toonden aan dat het op kreeften geïnspireerde materiaal op dezelfde manier presteerde als zijn natuurlijke tegenhanger, in staat om herhaaldelijk uit te rekken terwijl het bestand is tegen scheuren en scheuren - een vermoeidheidsweerstand die Lin toeschrijft aan de schuine architectuur van de structuur.

"Intuïtief, zodra een scheur in het materiaal zich door één laag voortplant, het wordt belemmerd door aangrenzende lagen, waar vezels onder verschillende hoeken zijn uitgelijnd, ' legt Lin uit.

Het team onderwierp het materiaal ook aan microballistische impacttests met een experiment ontworpen door de groep van Nelson. Ze beeldden het materiaal af terwijl ze het met hoge snelheid met microdeeltjes beschoten, en de snelheid van de deeltjes gemeten voor en na het scheuren door het materiaal. Het verschil in snelheid gaf hen een directe meting van de slagvastheid van het materiaal, of de hoeveelheid energie die het kan absorberen, wat een verrassend zware 40 kilojoule per kilogram bleek te zijn. Dit aantal wordt gemeten in gehydrateerde toestand.

"Dat betekent dat een stalen bal van 5 millimeter die met 200 meter per seconde wordt gelanceerd, wordt tegengehouden door 13 millimeter van het materiaal, "zegt Veysset. "Het is niet zo resistent als Kevlar, waarvoor 1 millimeter nodig is, maar het materiaal verslaat Kevlar in veel andere categorieën."

Het is geen verrassing dat het nieuwe materiaal niet zo sterk is als commerciële antiballistische materialen. Het is, echter, aanzienlijk steviger dan de meeste andere nanovezelige hydrogels zoals gelatine en synthetische polymeren zoals PVA. Het materiaal is ook veel rekbaarder dan Kevlar. Deze combinatie van rek en kracht suggereert dat, als hun fabricage kan worden versneld, en meer films gestapeld in bouligand-structuren, nanovezelige hydrogels kunnen dienen als flexibele en taaie kunstmatige weefsels.

"Om een ​​hydrogelmateriaal een dragend kunstmatig weefsel te laten zijn, zowel sterkte als vervormbaarheid zijn vereist, " zegt Lin. "Ons materiaalontwerp zou deze twee eigenschappen kunnen bereiken."