Onderzoekers van de Rice University hebben een synthetisch materiaal gemaakt dat sterker wordt door herhaalde stress, net zoals het lichaam botten en spieren versterkt na herhaalde trainingen.

Werk van het Rice-lab van Pulickel Ajayan, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde, toont het potentieel van het verstijven van op polymeer gebaseerde nanocomposieten met koolstof nanobuisvullers. Het team rapporteerde zijn ontdekking deze maand in het tijdschrift ACS Nano .

De truc, het lijkt, ligt in het complex, dynamische interface tussen nanostructuren en polymeren in zorgvuldig ontworpen nanocomposietmaterialen.

Brent Carey, een afgestudeerde student in het laboratorium van Ajayan, vond de interessante eigenschap tijdens het testen van de hoogcyclische vermoeidheidseigenschappen van een composiet die hij maakte door een bos van verticaal uitgelijnde, meerwandige nanobuisjes met polydimethylsiloxaan (PDMS), een inert, rubberachtig polymeer. Tot zijn grote verbazing, herhaaldelijk laden van het materiaal leek het helemaal niet te beschadigen. In feite, de stress maakte het stijver.

Carey, wiens onderzoek wordt gesponsord door een NASA-beurs, gebruikten dynamische mechanische analyse (DMA) om hun materiaal te testen. Hij ontdekte dat na een verbazingwekkende 3,5 miljoen compressies (vijf per seconde) gedurende ongeveer een week, de stijfheid van het composiet was met 12 procent toegenomen en toonde het potentieel voor nog verdere verbetering.

"Het kostte wat aanpassingen om het instrument dit te laten doen, "Zei Carey. "DMA gaat er over het algemeen van uit dat je materiaal niet permanent verandert. In de eerste testen, de software bleef me vertellen, 'Ik heb het monster beschadigd!' naarmate de stijfheid toenam. Ik moest het ook voor de gek houden met een onoplosbare programmalus om het hoge aantal cycli te bereiken."

Materiaalwetenschappers weten dat metalen kunnen uitharden tijdens herhaalde vervorming, een resultaat van het ontstaan ​​en vastlopen van defecten - bekend als dislocaties - in hun kristallijne rooster. polymeren, die zijn gemaakt van lange, herhalende ketens van atomen, gedraag je niet op dezelfde manier.

Het team weet niet precies waarom hun synthetische materiaal zich zo gedraagt. "We konden verdere vernetting in het polymeer uitsluiten als verklaring, "Zei Carey. "De gegevens laten zien dat er heel weinig chemische interactie is, indien van toepassing, tussen het polymeer en de nanobuisjes, en het lijkt erop dat deze vloeiende interface evolueert tijdens stress."

"Het gebruik van nanomaterialen als vulmiddel vergroot dit grensvlak enorm voor dezelfde hoeveelheid toegevoegd vulmateriaal, "Zei Ajayan. "Vandaar, de resulterende grensvlakeffecten worden versterkt in vergelijking met conventionele composieten.

"Voor technische materialen, mensen zouden graag zo'n composiet willen hebben, " zei hij. "Dit werk laat zien hoe nanomaterialen in composieten creatief kunnen worden gebruikt."

Ze vonden ook nog een andere waarheid over dit unieke fenomeen:het simpelweg comprimeren van het materiaal veranderde zijn eigenschappen niet; alleen dynamische spanning -- het steeds opnieuw vervormen -- maakte het stijver.

Carey trok een analogie tussen hun materiaal en botten. "Zolang je regelmatig een bot in het lichaam belast, het blijft sterk, "zei hij. "Bijvoorbeeld, de botten in de racketarm van een tennisser zijn dichter. Eigenlijk, dit is een adaptief effect dat ons lichaam gebruikt om de belastingen te weerstaan ​​die erop worden uitgeoefend.

"Ons materiaal is vergelijkbaar in die zin dat een statische belasting op ons composiet geen verandering veroorzaakt. Je moet het dynamisch belasten om het te verbeteren."

Kraakbeen is misschien een betere vergelijking - en mogelijk zelfs een toekomstige kandidaat voor vervanging van nanocomposiet. "We kunnen ons voorstellen dat deze reactie aantrekkelijk is voor het ontwikkelen van kunstmatig kraakbeen dat kan reageren op de krachten die erop worden uitgeoefend, maar soepel blijft in gebieden die niet worden gestrest, ' zei Carey.

Beide onderzoekers merkten op dat dit het soort fundamenteel onderzoek is dat meer vragen stelt dan het beantwoordt. Hoewel ze gemakkelijk de bulkeigenschappen van het materiaal kunnen meten, het is een heel ander verhaal om te begrijpen hoe het polymeer en de nanobuisjes op nanoschaal op elkaar inwerken.

"Mensen hebben geprobeerd de vraag te beantwoorden hoe de polymeerlaag rond een nanodeeltje zich gedraagt, ' zei Ajayan.
"Het is een heel ingewikkeld probleem. Maar fundamenteel, het is belangrijk als je een ingenieur van nanocomposieten bent.

“Vanuit dat perspectief Ik vind dit een mooi resultaat. Het vertelt ons dat het haalbaar is om interfaces te ontwerpen die het materiaal onconventionele dingen laten doen."