Materiaalwetenschap neemt graag de natuur en de bijzondere eigenschappen van levende wezens die mogelijk zouden kunnen worden overgedragen naar materialen als model. Een onderzoeksteam onder leiding van chemicus professor Andreas Walther van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) is erin geslaagd om materialen een bio-geïnspireerde eigenschap te geven:flinterdun, stijf nanopapier wordt onmiddellijk zacht en elastisch met een druk op de knop.

"We hebben het materiaal voorzien van een mechanisme zodat de sterkte en stijfheid kan worden gemoduleerd via een elektrische schakelaar, " legt Walther uit. Zodra er een elektrische stroom wordt aangelegd, het nanopapier wordt zacht; wanneer de stroom stopt, het herwint zijn kracht. Vanuit een toepassingsperspectief, deze schakelbaarheid kan interessant zijn voor dempende materialen, bijvoorbeeld. Het werk, waarbij ook wetenschappers van de Universiteit van Freiburg en de Cluster of Excellence on Living betrokken waren, Aangepaste, en energie-autonome materiaalsystemen (livMatS), gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG), werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Inspiratie van de zeebodem:mechanische schakelaar heeft een beschermende functie

De op de natuur gebaseerde inspiratie komt in dit geval van zeekomkommers. Deze zeedieren hebben een speciaal verdedigingsmechanisme:wanneer ze worden aangevallen door roofdieren in hun leefgebied op de zeebodem, zeekomkommers kunnen hun weefsel aanpassen en versterken, zodat hun zachte buitenkant onmiddellijk verstijft. "Dit is een adaptief mechanisch gedrag dat fundamenteel moeilijk te repliceren is, " zei professor Andreas Walther. Nu hun werk is gepubliceerd, zijn team is erin geslaagd om het basisprincipe in een gewijzigde vorm na te bootsen met een aantrekkelijk materiaal en een even aantrekkelijk schakelmechanisme.

De wetenschappers gebruikten cellulose-nanofibrillen die uit de celwand van bomen werden gehaald en verwerkt. Nanofibrillen zijn nog fijner dan de microvezels in standaard papier en resulteren in een volledig transparante, bijna glasachtig papier. Het materiaal is stijf en sterk, aantrekkelijk voor lichtgewicht constructie. De eigenschappen zijn zelfs vergelijkbaar met die van aluminiumlegeringen. In hun werk, het onderzoeksteam paste elektriciteit toe op deze op cellulose nanofibrillen gebaseerde nanopapieren. Door middel van speciaal ontworpen moleculaire veranderingen, het materiaal wordt hierdoor flexibel. Het proces is omkeerbaar en kan worden geregeld door een aan/uit-schakelaar.

"Dit is buitengewoon. Alle materialen om ons heen zijn niet erg veranderlijk, ze schakelen niet gemakkelijk van stijf naar elastisch en vice versa. Hier, met behulp van elektriciteit, we kunnen dat op een eenvoudige en elegante manier doen, " aldus Walther. De ontwikkeling verschuift dus van klassieke statische materialen naar materialen met eigenschappen die adaptief kunnen worden aangepast. Dit is relevant voor mechanische materialen, die zo breukvaster kan worden gemaakt, of voor adaptieve dempingsmaterialen, die bij overbelasting kan overschakelen van stijf naar meegaand, bijvoorbeeld.

Richten op een materiaal met zijn eigen energieopslag voor autonoom aan/uit schakelen

Op moleculair niveau, het proces omvat het verwarmen van het materiaal door een stroom aan te leggen en zo omkeerbaar vernettingspunten te verbreken. Het materiaal wordt zachter in samenhang met de aangelegde spanning, d.w.z., hoe hoger de spanning, hoe meer vernettingspunten worden verbroken en hoe zachter het materiaal wordt. De toekomstvisie van professor Andreas Walther begint ook op het punt van de stroomvoorziening:terwijl er momenteel een stroombron nodig is om de reactie op gang te brengen, het volgende doel zou zijn om een ​​materiaal te produceren met een eigen energieopslagsysteem, zodat de reactie in wezen "intern" wordt geactiveerd zodra, bijvoorbeeld, er treedt overbelasting op en demping wordt noodzakelijk. "Nu moeten we zelf de knop nog omdraaien, maar onze droom zou zijn dat het materiële systeem dit op eigen kracht zou kunnen bereiken."