Ett brett utbud av polymerbaserade material, från däckgummi och våtdräktsneopren till Lycra-kläder och silikon, är elastomerer värderade för sin förmåga att flexa och sträcka sig utan att gå sönder och återgå till sin ursprungliga form.

Att göra sådana material starkare innebär vanligtvis att de blir sprödare. Det är för att, strukturellt, elastomerer är ganska formlösa nätverk av polymersträngar-ofta jämförda med ett bunt desorganiserade spagettinudlar-som hålls samman av några kemiska tvärbindningar. Att stärka en polymer kräver att tätheten av tvärbindningar mellan strängarna ökas genom att skapa fler länkar. Detta gör att elastomerens trådar motstår att sträcka sig bort från varandra, ger materialet en mer organiserad struktur men gör det också styvare och mer benäget att misslyckas.

Inspirerad av det tuffa, flexibla polymera byssal-trådar som marina musslor använder för att fästa sig på ytor i den oländiga tidvattenzonen, ett team av forskare anslutna till UC Santa Barbara's Materials Research Laboratory (MRL) har utvecklat en metod för att övervinna den inneboende avvägningen mellan styrka och flexibilitet i elastomera polymerer. Gruppens fynd finns i journalen Vetenskap .

"Under det senaste decenniet, vi har gjort enorma framsteg när det gäller att förstå hur biologiska material bibehåller styrkan under belastning, " sa motsvarande författare Megan Valentine, en docent vid UCSB:s institution för maskinteknik. "I det här pappret, vi visar vår förmåga att använda den förståelsen för att utveckla användbara konstgjorda material. Detta arbete öppnar spännande upptäcktsbanor för många kommersiella och industriella tillämpningar."

Tidigare insatser också inspirerade av musslans nagelbandskemi har begränsats till våta, mjuka system såsom hydrogeler. Däremot UCSB-forskarna införlivade de musselinspirerade järnkoordinationsbindningarna i ett torrt polymersystem. Detta är viktigt eftersom en sådan torr polymer potentiellt skulle kunna ersätta styva men spröda material, speciellt i slag- och torsionsrelaterade applikationer.

"Vi fann att det våta nätverket var 25 gånger mindre styvt och gick sönder vid fem gånger kortare förlängning än ett liknande konstruerat torrt nätverk, " förklarade medförfattaren Emmanouela Filippidi, en postdoktor i Valentine Lab vid UCSB. "Det är ett intressant resultat, men en förväntad sådan. Det som verkligen är slående är vad som hände när vi jämförde det torra nätet före och efter tillsats av järn. Det bibehöll inte bara sin stretchighet utan det blev också 800 gånger styvare och 100 gånger tuffare i närvaro av dessa omkonfigurerbara järn-katekolbindningar. Det var oväntat."

För att uppnå nätverk med arkitektur och prestanda som liknar dem hos musselbyssalnagelbandet, laget syntetiserade en amorf, löst tvärbundet epoxinätverk och sedan behandlat det med järn för att bilda dynamiska järn-katekol-tvärbindningar. I frånvaro av järn, när en av de kovalenta tvärbindningarna bryts, den är trasig för alltid, eftersom det inte finns någon mekanism för självläkning. Men när de reversibla järn-katekolkoordinationsbindningarna är närvarande, någon av dessa järnhaltiga trasiga tvärlänkar kan reformeras, inte nödvändigtvis på exakt samma plats men i närheten, sålunda bibehåller materialets elasticitet även när dess styrka ökar. Materialet är både styvare och tuffare än liknande nätverk som saknar järnhaltiga koordinationsbindningar.

När järn-katekolnätverket sträcks ut, det lagrar inte energin, så när spänningen släpps, materialet studsar inte tillbaka som ett gummiband men, snarare, sprider energin. Materialet återhämtar sig sedan långsamt för att återuppta sin ursprungliga form, ungefär på samma sätt som ett viskoelastiskt material som memory foam gör efter att trycket på det släppts.

"Ett material som har den egenskapen, kallas en "energiavledande plast", ' är användbar för beläggningar, " sa medförfattaren Thomas Cristiani, en UCSB doktorand i Israelachvili Group. "Det skulle bli ett fantastiskt mobiltelefonfodral eftersom det skulle absorbera en stor mängd energi, så telefonen skulle vara mindre benägen att gå sönder vid stötar mot golvet och skulle vara skyddad."

Det torra system som forskarna använde är viktigt av två anledningar. I ett vått system, nätverket absorberar vatten, får polymerkedjorna att sträcka sig, så det finns inte mycket extra flexibilitet kvar. Men med ett torrt material, de amorfa spagettiliknande trådarna är initialt mycket kompakta, med mycket utrymme att stretcha. När järntvärbindningarna tillsätts för att stärka polymeren, torrhetens töjbarhet äventyras inte, eftersom dessa band kan bryta, så att polymerkedjorna inte är låsta på plats. Dessutom, avlägsnande av vattnet från nätverket resulterar i att katekol och järn ligger närmare varandra och kan bilda områden med hög anslutningsbarhet, vilket förbättrar de mekaniska egenskaperna.

"Denna skillnad mellan respons i våta och torra system är enorm och gör vårt tillvägagångssätt till en spelväxlare när det gäller att syntetisera användbara ingenjörsmaterial för applikationer med hög effekt, " sa Valentine.