Geïnspireerd door extreem sterke spinzijde, onderzoekers van NTNU hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat de eerder geziene afwegingen tussen taaiheid en stijfheid trotseert.

Het materiaal is een type polymeer dat bekend staat als een elastomeer omdat het een rubberachtige elasticiteit heeft. Het nieuw ontwikkelde elastomeer bevat moleculen met acht waterstofbruggen in één herhalende eenheid, en het zijn deze bindingen die helpen om de spanning op het materiaal gelijkmatig te verdelen en het zo duurzaam te maken.

"De acht waterstofbruggen zijn de oorsprong van de buitengewone mechanische eigenschappen, " zegt Zhiliang Zhang, hoogleraar mechanica en materialen bij NTNU's Department of Structural Engineering. Het materiaal is ontwikkeld bij NTNU NanoLab en gedeeltelijk gefinancierd door de Onderzoeksraad van Noorwegen.

Stof die stijf en taai is

Het idee om een ​​hoger dan gebruikelijk aantal waterstofbruggen in te voeren kwam uit de natuur. "Spinnenzijde bevat dezelfde soort structuur, " zegt Yizhi Zhuo, die het nieuwe materiaal ontwikkelde als onderdeel van zijn Ph.D. en postdoc werk. "We wisten dat het tot heel bijzondere eigenschappen zou kunnen leiden."

Wetenschappers hebben eerder opgemerkt dat spinnenzijde, met name draglinezijde, die de spaken en de buitenrand van een spinnenweb vormt, is zowel uitzonderlijk stijf als taai.

Stijfheid en taaiheid zijn onderscheidende eigenschappen in de techniek, en zijn vaak in de oppositie. Stijve materialen kunnen veel spanning weerstaan ​​voordat ze vervormen, terwijl taaie materialen veel energie kunnen absorberen voordat ze breken. Glas, bijvoorbeeld, is stijf maar niet taai.

Grotere taaiheid

Tot nu, het repliceren van de dubbele stijfheid en taaiheid van spinzijde in synthetische elastomeren is niet mogelijk geweest. "Met commerciële materialen, als je een hogere stijfheid wilt hebben, je hebt een lagere taaiheid. Het is een afweging. Je kunt niet beide hebben, " zegt Zhang.

Het nieuwe elastomeer van het team heeft verschillende harde en zachte domeinen. Na het bedenken en maken, het team gebruikte een atoomkrachtmicroscoop - met een resolutie van fracties van een nanometer - om naar de onderliggende structuur van het materiaal te kijken, en observeer de interface tussen de harde en zachte regio's.

Ze zagen dat naast de acht waterstofbruggen die stress verdelen, de mismatch in stijfheid tussen de harde en zachte domeinen hielp om energie verder te dissiperen door eventuele scheuren aan te moedigen zich af te takken in plaats van langs een recht pad verder te gaan. "Als je een zigzag hebt, je creëert een groot breukoppervlak en dissipeert meer energie, dus je hebt een hogere taaiheid, " zegt Zhang.

Een toekomst in flexibele elektronica?

Naast de mechanische eigenschappen, het materiaal is optisch transparant en uit onderzoek blijkt dat het zelfs bij temperaturen hoger dan 80 °C zichzelf kan herstellen. Als de productie kan worden opgeschaald, het nieuwe materiaal zou ooit kunnen worden gebruikt in flexibele elektronica, met name draagbare apparaten die meer vatbaar zijn voor beschadiging en breuk.

Zhang en zijn collega's hebben in maart een patent aangevraagd voor hun materiaal, maar ze blijven werken aan het introduceren van andere wenselijke eigenschappen. De zachte domeinen in hun materiaal zijn gemaakt van een op silicium gebaseerd polymeer dat bekend staat als PDMS, maar de onderzoekers vermoeden dat ze de mechanische eigenschappen nog verder kunnen verbeteren door te experimenteren met andere stoffen.

Ze willen ook de eigenschappen van het materiaal uitbreiden met anti-ijsvorming - het stoppen van ijs dat eraan blijft plakken bij lage temperaturen - en anti-fouling - om te voorkomen dat waterorganismen zoals mosselen en algen zich eraan hechten - zodat het in extreme omstandigheden kan worden gebruikt, zoals het Noordpoolgebied. "Dit materiaal is een goed startpunt, maar we willen wat andere functionaliteit toevoegen, " zegt Zhang.