Bio-geïnspireerde materialen (BIM) zijn synthetische materialen waarvan de structuur en eigenschappen vergelijkbaar zijn met natuurlijke materialen of levende materie. Deze materialen hebben het potentieel om structurele materialen, textiel en beschermende uitrusting vooruit te helpen vanwege hun duurzaamheid en zelfherstellende eigenschappen.

Dr. Vanessa Restrepo, assistent-professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde van J. Mike Walker '66, en haar team bij het Bio-Inspired Materials (BIM) Lab streven ernaar bio-geïnspireerde materialen met verbeterd gedrag te creëren door zich te concentreren op de aard van eiwitten het ontwikkelen van opofferingscomposieten (verbindingen die breken voordat de belangrijkste structurele verbinding wordt verbroken) met behulp van niet-lineaire lijmmaterialen.

Dit artikel is gepubliceerd in Materialen &Ontwerp .

Dit onderzoek zou een aanzienlijke impact kunnen hebben op de elektrische bekabelde infrastructuur bij ongunstige weersomstandigheden. Door deze materialen te gebruiken, kunnen de kabels zich uitrekken en uitstrekken om het extra gewicht van ijsophoping of plotselinge boomomvallen veroorzaakt door harde wind te dragen. Deze flexibiliteit kan kabelbreuk voorkomen, wat minder onderbrekingen in de elektriciteitsvoorziening betekent.

"Onze toewijding blijft gericht op het bevorderen van bio-geïnspireerde materialen en hun toepassingen in verschillende industrieën", aldus Restrepo. "We zijn enthousiast over de potentiële impact en bijdrage van deze materialen aan een veerkrachtigere en duurzamere productontwikkeling."

Volgens Restrepo verwijzen niet-lineaire lijmen naar een krachtverplaatsingsgedrag dat afwijkt van een bilineair pad, in tegenstelling tot conventionele lijmen. In tegenstelling tot traditionele lijmen volgt de kracht-verplaatsingsverhouding van niet-lineaire lijmen geen eenvoudig, tweetrapspatroon. In plaats daarvan vertoont het een complexer en variabeler gedrag naarmate externe krachten worden uitgeoefend.

Om dit onderzoek te benaderen gebruikt Restrepo een cross-scale strategie, waarbij niet-lineaire zelfklevende materialen en tegenover elkaar liggende magneten worden geïntegreerd om opofferingsverbindingscomposieten te vormen die vergelijkbaar zijn met die gevonden in eiwitten zoals het grensvlak van het paarlemoer, dat een meerlaagse baksteen-en-verbindingslaag is. mortel van natuurlijk materiaal dat 3000 keer beter bestand is tegen breuk dan de bestanddelen ervan.

Hun aanpak omvat het gebruik van opofferingsverbindingscomposieten die natuurlijke biologische mechanismen nabootsen, waardoor energiedissipatie en zelfherstel mogelijk zijn bij mechanisch falen. De externe belasting verbreekt de opofferingsverbindingen van opofferingsverbindingscomposieten, en de tegenover elkaar liggende magneten brengen het gescheiden grensvlak samen, waardoor de hervorming van de opofferingsverbindingen en het zelfherstel van het composiet mogelijk wordt gemaakt na grote spanningen.

"Dit verschilt aanzienlijk van de huidige materialen die dit intrinsieke zelfherstellende vermogen missen, wat resulteert in producten voor eenmalig gebruik en wegwerpproducten", zei ze. "Ons voorgestelde onderzoek kijkt naar de mogelijkheid om zelfherstellende energiedissipatiemechanismen voor meerdere doeleinden te creëren, zoals valstoppers."

Het integreren van deze innovatieve materialen zou kunnen resulteren in duurzamere, kosteneffectievere en duurzamere producten die minder vaak hoeven te worden vervangen, wat uiteindelijk kan resulteren in de ontwikkeling van zelfherstellende materialen die worden gebruikt in verschillende alledaagse voorwerpen, zoals beschermende uitrusting en textiel.

Het BIM-lab werkte samen met Dr. Ramses Martinez, universitair hoofddocent aan de Purdue University, om dit onderzoek uit te voeren. Deze methode is onlangs gepatenteerd door Restrepo en team.

Meer informatie: Vanessa Restrepo et al, Cross-scale ontwerp van energiedissipatieve composieten met behulp van zelfherstellende interfaces op basis van opofferingsverbindingen, Materialen en ontwerp (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112283

Aangeboden door Texas A&M University