Materialforskare vid Rice University tittar på naturen – på skivorna i mänskliga ryggar och huden hos havsdykande fiskar, till exempel – för ledtrådar om att designa material med till synes motsägelsefulla egenskaper – flexibilitet och styvhet.

I forskning som visas online i tidskriften Avancerade materialgränssnitt , doktorand Peter Owuor, Forskaren Chandra Sekhar Tiwary och kollegor från laboratorierna till risprofessorn Pulickel Ajayan och Jun Lou fann att de kunde öka stelheten, eller "elasticitetsmodul, " av en mjuk silikonbaserad polymer genom att infundera den med små fickor av flytande gallium.

Sådana kompositer kan användas i högenergiabsorberande material och stötdämpare och i biomimetiska strukturer som konstgjorda mellankotskivor, sa de.

Owuor sa att den konventionella visdomen inom kompositdesign under de senaste 60 åren har varit att tillsats av ett hårdare ämne ökar modulen och att lägga till en mjukare minskar modulen. I de flesta fall, det stämmer.

"Folk hade inte riktigt sett på det från andra hållet, ", sa han. "Är det möjligt att lägga till något mjukt inuti något annat som också är mjukt och få något som har en högre modul? Om du tittar på den naturliga världen, det finns gott om exempel där du hittar just det. Som materialvetare, vi ville studera detta, inte ur ett biologiskt perspektiv utan snarare ur ett mekaniskt."

Till exempel, diskarna mellan kotorna i mänskliga ryggrader, som fungerar som både stötdämpare och ligament, är gjorda av ett tufft yttre lager av brosk och en mjuk, geléliknande inredning. Och den yttre huden på djupdykande havsfiskar och däggdjur innehåller otaliga små oljefyllda kammare – vissa inte större än ett virus och andra större än hela celler – som gör att djuren kan motstå det intensiva tryck som finns tusentals fot under havets yta.

Att välja grundmaterial för att modellera dessa levande system var relativt enkelt, men att hitta ett sätt att föra dem samman för att efterlikna naturen visade sig vara svårt, sa Tiwary, en postdoktoral forskarassistent vid Rices institution för materialvetenskap och nanoteknik.

polydimetylsiloxan, eller PDMS, valdes som det mjuka inkapslande skiktet av ett antal anledningar:Det är billigt, inert, giftfri och används ofta i allt från tätningsmedel och akvarietätningsmedel till kosmetika och livsmedelstillsatser. Det torkar också klart, vilket gjorde det lätt att se bubblorna av vätska som laget ville kapsla in. För det, forskarna valde gallium, som liksom kvicksilver är flytande vid rumstemperatur, men till skillnad från kvicksilver är det giftfritt och relativt lätt att arbeta med.

Owuor sa att det tog nästan fyra månader att hitta ett recept för att kapsla in bubblor av gallium inuti PDMS. Hans testprover är ungefär samma diameter som ett litet mynt och upp till en kvarts tum tjocka. Genom att bota PDMS långsamt, Owuor utvecklade en process genom vilken han kunde lägga till galliumdroppar av olika storlekar. Vissa prover innehöll en stor inre kammare, och andra innehöll upp till ett dussin diskreta droppar.

Varje prov utsattes för dussintals tester. Ett dynamiskt mekaniskt analysinstrument användes för att mäta hur mycket materialet deformerades under belastning, och olika mått som styvhet, seghet och elasticitet mättes under en mängd olika förhållanden. Till exempel, med en relativt liten mängd kylning, gallium kan förvandlas till ett fast ämne. Så teamet kunde jämföra några mätningar som gjordes när galliumsfärerna var flytande med åtgärder som gjordes när sfärerna var fasta.

Samarbetspartnerna Roy Mahapatra och Shashishekarayya Hiremath från Indian Institute of Science i Bangalore använde finita elementmodellering och hydrodynamiska simuleringar för att hjälpa teamet att analysera hur materialen betedde sig under mekanisk stress. Baserat på det här, forskarna fastställde att fickor av flytande gallium gav kompositen högre energiabsorptions- och avledningsegenskaper än vanlig PDMS eller PDMS med luftfyllda fickor.

"Vad vi har visat är att att lägga vätska i ett fast ämne inte alltid kommer att göra det mjukare, och tack vare våra medarbetare kan vi förklara varför detta är fallet, "Sade Tiwary. "Närnäst hoppas vi kunna använda denna förståelse för att försöka konstruera material för att dra nytta av dessa egenskaper."

Owuor och Tiwary sa att bara att använda enbart nanoteknik kanske inte ger maximal effekt. Istället, naturen använder hierarkiska strukturer med egenskaper av varierande storlek som upprepas i större skalor, som de som finns i de oljefyllda kamrarna i fiskskinn.

"Om du tittar på (fiskens) membran och delar upp det, det finns ett lager där du har sfärer med stora diametrar, och när du rör dig, diametrarna fortsätter att minska, " sade Owuor. "Kamrarna ses över hela skalan, från nano- hela vägen ut till mikroskalan.

Tiwary sa, "Det finns viktiga nanoskaliga egenskaper i naturen, men allt är inte nano. Vi kanske upptäcker att ingenjörskonst på nanoskala enbart inte är tillräckligt. Vi vill se om vi kan börja designa på ett hierarkiskt sätt."